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Methanol derived from plant tissue is ubiquitous in anaerobic sediments and a good substrate for anaerobes growing on C1 compounds such as methanogens and acetogens. In contrast to methanogens little is known about the physiology, biochemistry and bioenergetics of methanol utilization in acetogenic bacteria. To fill this gap, we have used the model acetogen Acetobacterium woodii to study methanol metabolism using physiological and biochemical experiments paired with molecular studies and transcriptome analysis. These studies identified the genes and enzymes involved in acetogenesis from methanol and the redox carriers involved. We will present the first comprehensive model for carbon and electron flow from methanol in an acetogen and the bioenergetics of acetogenesis from methanol.
Metal ions as novel polarizing agents for dynamic nuclear polarization enhanced NMR spectroscopy
(2017)
High-spin complexes of Gd(III) and Mn(II) were introduced as polarizing agents (PAs) for solid-state dynamic nuclear polarization (DNP) in 2011. This dissertation was undertaken in 2013, with the intention of exploring these PAs further. Major goals of this work were to understand their DNP mechanism(s) and explore their application in biomolecular research. This cumulative thesis details the methods, advantages, and practical implications of using high-spin PAs for MAS DNP. Data from electron paramagnetic resonance (EPR) and NMR spectroscopy are discussed for a complete understanding of DNP mechanisms.
Out of the two main mechanisms − solid effect (SE) and cross effect (CE − active under experimental conditions of solid-state DNP, commonly used nitroxide PAs evoke CE owing to their broad EPR spectra. On the other hand, DNP mechanisms evoked by high-spin metal ions seem non-trivial due to additional features (originating from spin-orbit coupling or zero field splitting) in their EPR spectra. The features of the EPR signal generally influence the shape of enhancement profiles. Therefore, the metal ion with a simpler EPR signal i.e., Gd(III) , is chosen as the starting point for the investigation of DNP mechanisms. Varying concentrations (2, 10, 20 mM) of a water-soluble and stable complex Gd-DOTA was dissolved as the PA in a glycerol-water solution of 13C,15N - urea. Field profiles of DNP enhancement on each nuclear type (1H, 13C, and 15N) establishes SE as the active DNP mechanism at the smallest PA concentration (2 mM). This confirms the theoretical predictions that narrow line width of the Gd(III) EPR signal arising from the central transition (CT, ms = -1/2 +1/2) allows for resolved SE DNP. However, that is no longer the case at higher PA concentrations of 10 and 20 mM. At higher Gd(III) concentrations, the CE mechanism contributes significantly and varies with nuclear Larmor frequency (ωn) of the concerned nuclei. The enhancement maxima shifts towards the EPR resonance as the contribution from CE increases. This shift is evident in the field profiles of 15N and 13C, whereas that of 1H is least influenced. This observation can be explained by combining theoretical estimates with the experimental data; the CE is evoked by increased dipolar coupling (Dee) – a prerequisite for CE – between neighboring Gd(III) spins as the statistical inter-spin distance shortens at elevated concentrations. This finding is important because the knowledge of active DNP mechanisms is essential for accurate interpretation of results from DNP experiments.
From the experiments on Gd-DOTA it becomes clear that concentration, inter-spin distances, and hence induced Dee are intertwined. In order to explicitly address the influence of inter-spin distances on DNP mechanisms we started a collaboration with the group of Adelheid Godt (Bielefeld). In this collaborative project, bis-complexes of the type Gd(III)-spacer-Gd(III) with variable spacer lengths were investigated. These PAs provided an excellent model system where the influence of only inter-spin distances can be determined for a fixed Gd(III) concentration. A small PA concentration of 4 mM is used to ensure absence of significant inter-molecular dipolar interactions. A mono-Gd complex of similar geometry and chemistry is taken as a reference for SE DNP.
The mono-Gd complex yields enhancements arising from SE as expected from negligible inter-molecular Dee. The contribution of CE increases as the inter-spin distances between Gd(III) ions become shorter going from 3.4 nm 2.1 nm 1.4 nm 1.2 nm due to corresponding increase in Dee. The extent of CE on ωn follows the same trend as for Gd-DOTA. Highest CE contribution is observed on nuclei with the smallest ωn 15N because smaller ωn approaches the width of the EPR signal, this is an additional requirement for CE DNP.
The field position for maximum DNP enhancement corresponding to Gd-DOTA, is used for DNP experiments on Ubiquitin with an attached Gd-tag as PA. The success of DNP on this sample illustrates the possibility of site-directed DNP with metal ions tags as PAs. As a perspective Gd-tags can be used to examine change in conformation of a protein that would give higher enhancements due to CE if two Gd(III) labeled domains are closer in space. In a separate project, Mn(II) (s=5/2) bound to the divalent site of a hammerhead ribozyme was used as a PA which resulted in the first demonstration of intra-complex DNP using an intrinsically bound metal ion PA.
The transporter associated with antigen processing (TAP) translocates antigenic peptides from the cytosol into the endoplasmic reticular lumen for subsequent loading onto major histocompatibility complex (MHC) class I molecules. These peptide-MHC complexes are inspected at the cell surface by cytotoxic T-lymphocytes. Assembly of the functional peptide transport and loading complex depends on intra- and intermolecular packing of transmembrane helices (TMs). Here, we have examined the membrane topology of human TAP1 within an assembled and functional transport complex by cysteine-scanning mutagenesis. The accessibility of single cysteine residues facing the cytosol or endoplasmic reticular lumen was probed by a minimally invasive approach using membrane-impermeable, thiol-specific fluorophores in semipermeabilized “living” cells. TAP1 contains ten transmembrane segments, which place the N and C termini in the cytosol. The transmembrane domain consists of a translocation core of six TMs, a building block conserved among most ATP-binding cassette transporters, and a unique additional N-terminal domain of four TMs, essential for tapasin binding and assembly of the peptide-loading complex. This study provides a first map of the structural organization of the TAP machinery within the macromolecular MHCI peptide-loading complex.
Biomoleküle, insbesondere Membranproteine (MPs), sind oftmals sehr sensitiv gegenüber ihrer chemischen Umgebung, wie pH-Wert, Puffer, Salzkonzentration und vielen weiteren Faktoren. MPs stabil und funktional in Lösung zu halten ist nicht trivial. Sie stellen deshalb eine besondere Herausforderung bei der Analyse von biologischen Systemen dar. Aus diesem Grund wurden und werden nach wie vor sogenannte membrane mimicking-(MM-) Systeme, wie beispielsweise Nanodiscs (NDs) oder styrene-maleic acid lipid particles (SMALPs), untersucht und entwickelt, um MPs eine naturähnliche Umgebung in Form einer Lipid-Doppelschicht zu bieten und sie so in ihrer natürlichen Konformation und natürlichen Funktionsweise/Aktivität in Lösung zu halten.
Laser induced liquid bead ion desorption (LILBID) Massenspektrometrie (MS) hat sich als hervorragende analytische Methode herausgestellt, um MPs in Kombination mit MM-Systemen zu untersuchen. LILBID-MS bietet nicht nur die Möglichkeit Proteine an sich zu identifizieren, sondern ermöglicht ebenfalls eine zerstörungsfreie Analyse von nicht-kovalent gebundenen Proteinkomplexen, sowie die Detektion einzelner Subkomplexe eines Proteinkomplexes. Auch die Analyse von Protein-Ligand-Wechselwirkungen ist möglich. Bei der LILBID-Ionisationsmethode werden kleine Tröpfchen erzeugt, die einen wässrig gelösten Analyt enthalten. Die Analyt-Tröpfchen werden anschließend mittels IR-Laser bestrahlt, wodurch der Analyt freigesetzt und massenspektrometrisch analysiert werden kann.
Diese Dissertation beschäftigt sich zum einen mit der Analyse des Lyse-Proteins ΦX174-E der Bakteriophage ΦX174, zum anderen mit Untersuchungen zur Histidinkinase SpaK aus B. subtilis in Kombination mit MMs. Weiterhin wird die Frage geklärt, ob und wie gut sich LILBID-MS zur Analyse von Saposin-Nanopartikel-(SapNPs)-solubilisierten MPs eignet. Darüber hinaus wird in dieser Dissertation die Darstellung von SapNP-solubilisierten MPs mittels zellfreier Proteinsynthese näher charakterisiert und untersucht welche Parameter aus präparativer Sicht optimiert werden können.
In vorausgegangenen Analysen von ND-solubilisierten MPs mittels LILBID-MS zeigte sich, dass manche in Verbindung mit NDs genutzten Lipide unerwünschte Signale im Spektrum zur Folge haben, die aus massiven Lipid-Anhaftungen am MSP oder dem Analyten resultieren. Überlappungen der m/z-Signale verschiedener Analyt- und/oder Komplexkomponenten mit diesen Lipid-Cluster-Signalen kann wiederum zum Verlust von Informationen führen. Daher beschäftigt sich ein weiterer Teil dieser Arbeit mit der Frage, ob durch den Einsatz von UV-schaltbaren Lipiden der Anwendungsbereich und/oder die Auflösung von LILBID-MS erweitert und verbessert werden kann.
Um biologische Prozesse zu verstehen ist es ebenfalls wichtig die zeitlichen/kinetischen Aspekte einer Reaktion zu untersuchen/kennen, sowie molekulare Prozesse gezielt zu kontrollieren. Licht hat sich hierbei als ein hervorragendes Werkzeug in der Analytik, sowie in der molekularen Prozesskontrolle etabliert. Licht bietet den Vorteil sehr selektiv eingesetzt werden zu können und sowohl orts- als auch zeitaufgelöst Informationen liefern zu können. Das gezielte Triggern einer Reaktion oder einer Protein-Protein-Interaktion kann beispielsweise durch sog. photo-cleaving von photolabilen Schutzgruppen ermöglicht werden. Bisweilen bietet die native MS nur wenig Möglichkeiten schnelle Reaktionen zu analysieren und kinetische Informationen zu gewinnen. Daher beschäftigt sich ein weiterer Teil dieser Dissertation damit zu untersuchen, ob und wie sich lichtgesteuerte Reaktionen im LILBID-Ionisationsprozess induzieren und gegebenenfalls auch zeitlich analysieren und charakterisieren lassen können.
The bacteriophage ΦX174 causes large pore formation in Escherichia coli and related bacteria. Lysis is mediated by the small membrane-bound toxin ΦX174-E, which is composed of a transmembrane domain and a soluble domain. The toxin requires activation by the bacterial chaperone SlyD and inhibits the cell wall precursor forming enzyme MraY. Bacterial cell wall biosynthesis is an important target for antibiotics; therefore, knowledge of molecular details in the ΦX174-E lysis pathway could help to identify new mechanisms and sites of action. In this study, cell-free expression and nanoparticle technology were combined to avoid toxic effects upon ΦX174-E synthesis, resulting in the efficient production of a functional full-length toxin and engineered derivatives. Pre-assembled nanodiscs were used to study ΦX174-E function in defined lipid environments and to analyze its membrane insertion mechanisms. The conformation of the soluble domain of ΦX174-E was identified as a central trigger for membrane insertion, as well as for the oligomeric assembly of the toxin. Stable complex formation of the soluble domain with SlyD is essential to keep nascent ΦX174-E in a conformation competent for membrane insertion. Once inserted into the membrane, ΦX174-E assembles into high-order complexes via its transmembrane domain and oligomerization depends on the presence of an essential proline residue at position 21. The data presented here support a model where an initial contact of the nascent ΦX174-E transmembrane domain with the peptidyl-prolyl isomerase domain of SlyD is essential to allow a subsequent stable interaction of SlyD with the ΦX174-E soluble domain for the generation of a membrane insertion competent toxin.
Protein biosynthesis is a fundamental process across all domains of life. Polypeptides are produced by translating the genetic information of the messenger RNA (mRNA) into amino acids. This elaborate procedure is divided into the four distinct phases: initiation, elongation, termination, and ribosome recycling. The phases are controlled and regulated by a multitude of translation factors. During initiation, the ribosome assembles on the mRNA. Initiation factors (IFs) bind to the small ribosomal subunit (SSU) and assist the recruitment of mRNA and initiator transfer RNA (tRNA), which delivers the first amino acid methionine. After positioning the SSU at the start codon of the mRNA, additional IFs support the joining of the large ribosomal subunit (LSU). Next, elongation factors (EFs) deliver amino-acylated tRNAs (aa-tRNAs) to the translating ribosome and assist kinetic proofreading and ribosome subunit translocation after the catalytic transfer of the polypeptide onto the aa-tRNA. When a stop codon is reached, translation is terminated by release factors (RFs) that hydrolyze the peptidyl-tRNA to release the nascent protein chain. Afterwards, the ribosome is recycled in Eukaryotes and Archaea by the conserved and essential factor ABCE1, which splits the ribosome into the LSU and SSU. ABCE1 remains bound to the SSU forming the post-splitting complex (post-SC). mRNA translation closes into a cycle by recruitment of IFs to the post-SC and the start of a new round of initiation. The post-SC presents the platform for translation initiation. However, the role of ABCE1 in initiation remains elusive. Therefore, the main goal of my thesis was to unravel the molecular mechanism of ABCE1 on the post-SC and during initiation complex (IC) assembly.
Using a reconstituted system, the high-resolution structure of the archaeal post-SC was solved by cryogenic electron microscopy (cryo-EM) following the native splitting route. It was the first complete model of an archaeal SSU at atomic resolution and revealed a previously undescribed ribosomal protein, which we termed eS21. The hinge 2 region of ABCE1 was identified to be the major interaction interface that anchors to the SSU. Functional characterization of single residue mutations in hinge 2 unraveled essential interactions with the ribosomal RNA backbone of the SSU. Sensing of SSU-binding was found to be allosterically transmitted to the nucleotide-binding sites (NBSs) for integration into the ATPase cycle of ABCE1.
Reconstitution of the archaeal translation apparatus allowed for dissection of IC assembly in the presence of ABCE1. Three different ICs were resolved by cryo-EM. The results were in accordance with recent structural findings of eukaryotic translation initiation and highlighted that the involvement of ABCE1 is conserved.
In a semi-native approach, recombinant ABCE1 was pulled-down from crenarchaeal cell lysates. Mass spectrometric analysis of co-immunoprecipitated ribosomal complexes identified the association of numerous translation factors to the post-SC in a cellular context. The establishment of the genetic toolbox of the acidothermophilic Sulfolobus acidocaldarius allowed the homologous expression of ABCE1. Pull-down of native ABCE1 revealed similar ribosomal complexes as the semi-native and reconstituted approaches. Together, my results gave first physiological relevance of ABCE1 involvement in mRNA translation initiation in Archaea. Native archaeal ABCE1-ICs were vitrified for structural analysis by cryo-EM. Thereby, future structural analysis will allow to analyze the interactions of ABCE1 on native ICs and identify its role in IC assembly.
To address the molecular process of IC assembly, the binding affinity of aIF1 to the SSU was determined by fluorescence polarization. Similar studies will allow for a detailed functional analysis on IF recruitment to the SSU in presence of ABCE1.
mRNA surveillance and ribosome-associated quality control (RQC) mechanisms evolved to ensure cell viability. The pathways overcome ribosome stalling and defective translation components. Stalled ribosomes are terminated by special RFs, which do not hydrolyze the peptidyl-tRNA, but allow dissociation of the ribosome by ABCE1. Faulty messages are degraded via mRNA decay pathways and the LSU is rescued by RQC factors. Recently, the bacterial RQC factor MutS2 was identified to specifically target collided di- and polysomes but its molecular mechanism remains unknown. In this thesis, initial functional analyses showed tri-phosphate specific nucleotide binding of MutS2. While the dissociation of collided disomes by MutS2 could not be observed, the results pave the way for future in vitro studies of bacterial RQC factors acting on specific ribosome populations.
In the future, mRNA translation research must focus on complex quality control processes to comprehensively understand this fundamental cellular process in a holistic context.
Mechanistic characterization of photoisomerization reactions in organic molecules and photoreceptors
(2023)
In dieser Arbeit wurden verschiedene Einflüsse auf die Dynamik von Photoisomerisierungen in Phytochromen und indigoiden Photoschaltern untersucht. Beide Forschungsgebiete teilen wesentliche Aspekte wie die Kontrolle durch sterische Wechselwirkungen und den starken Einfluss der Polarität oder der ionischen Umgebung.
Auf dem Gebiet der Phytochrome wurde die relative Positionierung der knotenlosen Phytochrome innerhalb der Superfamilie der Phytochrome in Bezug auf ihre Photodynamik und den Effekt von Grundzustandsheterogenität herausgearbeitet. Es wurde anhand von ultraschnellen, zeitaufgelösten Anrege-Abtast-Experimenten der einzelnen GAF-Domäne All2699g1 im Vergleich mit dem vollständigen knotenlosen Phytochrom All2699g1g2 und dem strukturell ähnlichen knotenlosen Phytochrom SynCph2 gezeigt, dass knotenlose Phytochrome in ihrer Vorwärtsdynamik eine komplexe mehrphasige Kinetik mit einem langlebigen angeregten Zustand (~100 ps) aufweisen. Die beobachtete mehrphasige Kinetik konnte einer initialen Chromophordynamik sowie einer nicht exponentiellen Reorganisation der chromophor-umgebenden Proteinmatrix zugeordnet werden. Dies steht im starken Kontrast zur im Gebiet der Phytochrome etablierten Beschreibung derartiger mehrphasiger Kinetiken mittels heterogener Grundzustände. Stattdessen wurde ein konserviertes kinetisches Muster identifiziert, welches die mehrphasige Dynamik beschreibt und in allen in dieser Arbeit untersuchten Phytochrome beobachtet wurde. Zudem konnte dieses Muster in einem Phytochrom der Gruppe I und einem Phytochrom der Gruppe III, die einen ähnlichen Pr Dunkelzustand aufweisen, gezeigt werden, was eine breite Anwendbarkeit des damit verbundenen Mechanismus vermuten lässt. Weiterhin konnte die zentrale Rolle eines konservierten Tyrosins in der Photoisomerisierung anhand von Mutationsstudien in All2699g1 herausgearbeitet werden. Diese konservierte Aminosäure muss im Rahmen der Reorganisation der Proteinmatrix vom Chromophor weggezogen werden, damit die sterische Blockade abgebaut werden kann, die die Isomerisierung des Chromophors zunächst verhindert. Da diese Bewegung von diversen Faktoren in der den Chromophor umgebenden Proteinmatrix abhängt, weist sie eine nicht exponentielle Kinetik auf, die je nach Phytochrom, der spezifischen Flexibilität und dem vorhandenen Raum in der Bindetasche unterschiedliche Lebenszeiten aufweist.
Die Rückreaktion knotenloser Phytochrome konnte ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit charakterisiert werden, welche im Pikosekundenbereich abläuft, und damit signifikant schneller ist als die Vorwärtsreaktion. Im Gegensatz zur Vorwärtsreaktion nimmt Grundzustandsheterogenität in der Rückreaktion eine weitaus bedeutendere Rolle ein. Hier weisen die in All2699g1 vorhandenen heterogenen Grundzustandspopulationen jeweils eine eigene Kinetik ihres angeregten Zustands auf, während die homogenen Grundzustände von All2699g1g2 und SynCph2 jeweils nur einen Zerfall des angeregten Zustands zeigen. Der Ursprung dieser Heterogenität konnte im Wasserstoffbrückennetzwerk des Chromophors lokalisiert und mit dem konservierten Tyrosin und einem konservierten Serin in der PHY-Domäne verknüpft werden. Die Anwesenheit der PHY-Domäne sorgt demnach für eine Verringerung der Grundzustandsheterogenität und des vorhandenen Raums in der Bindetasche, wodurch die Effizienz der Photoreaktion optimiert wird.
Zuletzt konnte die Millisekundendynamik knotenloser Phytochrome und der Einfluss der PHY-Domäne auf diese aufgeklärt werden. Die PHY-Domäne sorgt hierbei durch den verringerten Raum in der Bindetasche dafür, dass die zunächst stattfindende thermische Relaxation des Chromophors signifikant verlangsamt wird, während spätere Änderungen im Photozyklus nur wenig beeinflusst werden.
Auf dem Gebiet der indigoiden Photoschalter konnte, anhand eines sterisch überladenen Hemithioindigo Photoschalters, der Photoisomerisierungsmechanismus des Hula-Twists beobachtet und eine starke Lösungsmittelabhängigkeit der entsprechenden Kinetik aufgezeigt werden. Aus den durchgeführten zeitaufgelösten Anrege-Abtast-Experimenten in verschiedenen Lösungsmitteln konnte ein Modell für die Photodynamik des verwendeten Hemithioindigo Photoschalters entwickelt werden. In unpolaren Lösungsmitteln muss eine hohe Barriere zur produktiven konischen Durchschneidung überwunden werden, was zu Lebenszeiten des angeregten Zustands im Nanosekundenbereich führt. Der Weg zur produktiven konischen Durchschneidung folgt dabei dem Hula-Twist Mechanismus. Dieser Pfad ist in polaren Lösungsmitteln unerreichbar, weshalb eine schnelle Relaxation über eine unproduktive konische Durchschneidung stattfindet.
Im zweiten Projekt auf dem Gebiet der indigoiden Photoschalter wurde anhand der neuartigen Klasse der Iminothioindoxyl Photoschalter ein Schwingungsenergiedonor für Schwingungsenergietransferstudien entwickelt. Das daraus entwickelte Modellsystem, bestehend aus einer künstlichen Aminosäure auf Basis des Iminothioindoxyl Photoschalters und einem daran gekoppelten Schwingungsenergiesensor, wurde charakterisiert und die primäre Photoreaktion untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der angeregte Zustand des Modellsystems kurzlebig ist und unter Abgabe von großen Mengen an Schwingungsenergie zerfällt, unabhängig von der Anregungswellenlänge und dem verwendeten Lösungsmittel. Somit zeigt das entwickelte System vorteilhafte Eigenschaften für Schwingungsenergietransferstudien.
Insgesamt konnten somit die Mechanismen der Photoisomerisierungsreaktionen in knotenlosen Phytochromen und indigoiden Photoschaltern aufgeklärt und daraus die Relevanz der Umgebung für derartige Reaktionen herausgearbeitet werden.
The peptide loading complex (PLC) is a central machinery in adaptive immunity ensuring antigen presentation by major histocompatibility complex class I (MHC I) molecules to immune cells. If nucleated cells present foreign antigenic peptides from various origins (e.g., viral infected or cancer cells) on their cell surface they are targeted and eliminated by effector cells of the immune system to protect the organism against the hazard. The antigen presentation process starts with proteasomal degradation. Peptide loading and quality control of most, if not all, MHC I is performed by the PLC. Despite the main components, architecture, and general functions of this labile and multi-subunit assembly have been described, knowledge about the inner mechanics of MHC I loading and quality control in the PLC is limited. Detailed structural insights into the interactions and functions of key elements are lacking. In this PhD thesis, structural and functional aspects of the PLC in peptide loading and quality control of MHC I are unraveled, and the PLC was analyzed from an evolutionary perspective.
First, composition and architecture of native PLC isolated from different mammalian species was analyzed. Comparison of detergent-solubilized PLC from cow and sheep spleens with PLC isolated from human source showed a compositional conservation in mammals, with the central components TAP, ERp57, tapasin, calreticulin, and the MHC I heterodimer were conserved in these species. Negative-stain electron microscopy (EM) analyses revealed an identical overall architecture of PLCs from human, sheep, and cow with two major densities at opposing sides of the plane of the detergent micelle corresponding to endoplasmic reticulum (ER) luminal and cytosolic domains. Interestingly, the glucose-regulated protein 78 (GRP78) was associated only with the PLC from sheep and cow as revealed by mass spectrometry. This ER chaperone is involved in initial folding steps of MHC I but was not co-purified with human PLC, rendering it an interesting target for future functional and in-depth structural studies.
The human PLC was stabilized by reconstitution in membrane mimicking systems that replace the detergent, which is necessary to solubilize the complex. This stabilization allowed detailed structural analysis by single-particle cryogenic electron microscopy (cryo-EM). The structure of the MHC I editing module in the PLC, composed of tapasin, ERp57, calreticulin, MHC I, and β-2-microglobulin (β2m), was solved at an overall resolution of 3.7 Å. Within the structure, two important features were visualized: (i) the editing loop of tapasin, which is directly involved in peptide proofreading of MHC I; (ii) the A-branch of the Asn86 tethered N-linked glycan on MHC I. Both features are crucial elements in the quality control and peptide editing process on MHC I. The editing loop interacts with the peptide binding groove in MHC I. It disturbs the interaction between a cargo peptide C terminus and the F-pocket in the binding groove by displacing Tyr84 and the helices α1 and α2. The helix displacement widens the F-pocket which allows a faster peptide exchange on MHC I. The glycan is bound in its monoglucosylated form (Glc1Man9GlcNAc2) by the lectin domain of calreticulin. The A-branch of this glycan is stretched between MHC I Asn86 and the lectin domain, leading to the hypothesis that the glycan will be released from calreticulin once MHC I is loaded with a favored peptide (pMHC I).
For investigation of the glycan status of MHC I, intact protein liquid chromatography coupled mass spectrometry (LC-MS) was performed under denaturating conditions. An allosteric coupling between peptide loading and removal of the terminal glucose by α-Glucosidase II (GluII) was discovered. In addition, the PLC remained fully intact after peptide loading, which demonstrated GluII action on the PLC once MHC I is loaded.
With establishing GluII as transient interaction partner, this work deepens the knowledge of the molecular sociology of the PLC and how the PLC is involved in the endoplasmic reticulum quality control (ERQC). Further investigation of the ER aminopeptidases ERAP1 and ERAP2 showed that these enzymes neither alone nor together stably interact with the PLC. In contrast, both work independent from the PLC on free peptides in the ER.
LC-MS analysis of the PLC components revealed a very unusual glycosylation pattern of tapasin. Tapasin was observed with N-linked glycans ranging from the full glycan (Man9GlcNAc2) to heavily trimmed glycans, where only a single GlcNAc remained attached to Asn233. In the PLC, tapasin is probably shielded from degradation by ERQC and can remain functional and intact without a full N-linked glycan.
Mechanistic and structural insights into the quality control of the MHC I antigen processing pathway
(2022)
The human body is permanently exposed to its environment and thus to viruses and other pathogens, which require a flexible response and defense. Alongside to the innate immune system, the adaptive immune system provides highly specialized protection against these threats. The major histocompatibility complex class I (MHC I) antigen presentation system is a cornerstone of the adaptive immune system and a major constituent of cellular immunity. Pathogens such as viruses that invade a cell will leave traces in the form of proteins and peptides which are degraded and loaded onto MHC I molecules. MHC I peptide loading is performed by peptide loading complex (PLC) in the membrane of the endoplasmic reticulum as part of a multifaceted and comprehensive quality control machinery. Monitored by multiple layers of quality assurance, the MHC I molecules consequently display the immune status of the cell on its surface. In this context, the captured fragment of the virus serves as a call for help issued by the cell, alerting the adaptive immune system to the infection to mount an appropriate immune response.
The three-dimensional structure as well as the mechanistic details of parts of this complex machinery were characterized in the context of this dissertation. Among other tools, light-modulable nanotools were developed in this thesis, which permit external regulation of cellular processes in temporal and spatial resolution. Furthermore, methods and model systems for the biochemical characterization of cellular signaling cascades, proteins, as well as entire cell organelles were developed, which are likely to influence the field of cellular immunity and protein biochemistry in the future.
This cumulative work comprises a total of six publications whose scientific key advances will be briefly outlined in this abstract. In the introduction, the scientific background as well as the current state of research and methodological background knowledge are conveyed. The results section condenses the main aspects of the publications and links them to each other. Further details can be retrieved from the attached original publications.
In “Semisynthetic viral inhibitor for light control of the MHC I peptide loading complex, Winter, Domnick et al., Angew Chem Int Ed 2022” a photocleavable viral inhibitor of the peptide loading complex was produced by semi-synthesis. This nanotool was shown to be suitable for both purifying the PLC from human Raji cells as well as reactivating it in a light-controlled manner. Thus, this tool establishes the isolation of a fully intact and functional peptide loading complex for biochemical characterization. In addition, a novel flow cytometric analysis pipeline for microsomes was developed, allowing cellular vesicles to be characterized with single organelle resolution, similar to cells.
In “Molecular basis of MHC I quality control in the peptide loading complex, Domnick, Winter et al., Nat Commun 2022” the peptide loading complex was reconstituted into large nanodiscs, and a cryo-EM structural model of the editing module at 3.7 Å resolution was generated. By combining the structural model with in vitro glycan editing assays, an allosteric coupling between peptide-MHC I assembly and glycan processing was revealed, extending the known model of MHC I loading and dissociation from the PLC. These mechanisms provide a prototypical example for endoplasmic reticulum quality control.
In a related context, in “Structure of an MHC I–tapasin–ERp57 editing complex defines chaperone promiscuity, Müller, Winter et al., Nat Commun 2022” a recombinantly assembled editing module comprised of MHC I-tapasin-ERp57 was crystallized for X-ray structural biology. The resulting crystal structure at a resolution of 2.7 Å permitted the precise identification of characteristic features of the editing module and particularly of the peptide proofreading mechanism of tapasin. This study provided pivotal insights into the tapasin-mediated peptide editing of different MHC I allomorphs as well as similarities to TAPBPR-based MHC I peptide proofreading.
In “TAPBPR is necessary and sufficient for UGGT1-mediated quality control of MHC I, Sagert, Winter et al. (in preparation)” novel insights concerning the peptide proofreader TAPBPR and its close interplay with the folding sensor and glucosyltransferase UGGT1 were obtained. It was shown that TAPBPR is an integral part of the second level of endoplasmic quality control and is indispensable for effective MHC I coordination by UGGT1.
In “Light-guided intrabodies for on-demand in situ target recognition in human cells, Joest, Winter et al., Chem Sci 2021” intracellular nanobodies were equipped with a photocaged target recognition domain by genetic code expansion via amber suppression. These intrabodies, acting as high-affinity binding partners endowed with a fluorophore, could be used in a light-triggered approach to instantaneously visualize their target molecule...
Inhibitoren der Apoptose (IAP, inhibitor of apoptosis) Proteine spielen eine wichtige Rolle in Bezug auf Zelltodregulation und es ist anzunehmen, dass eine Dysregulation dieser Proteine zu einer Tumorentwicklung und Tumorprogression beiträgt. Erhöhte Expressionslevel von IAP Proteinen verhindern die Aktivierbarkeit des Zelltodprogrammes von Tumorzellen und eine Reihe von Studien konnte bereits erhöhte IAP Level in Tumorzelllinien sowie in primären Tumorproben nachweisen. Des Weiteren korrelieren erhöhte Expressionslevel von IAPs in Tumoren mit Behandlungsresistenzen und schlechten Prognosen für die Patienten.
Das diffuse großzellige B-Zell Lymphom (DLBCL, diffuse large B-cell lymphoma) zählt zu den häufigsten Subtypen der Non-Hodgkin Lymphome (NHL) mit 40 % aller neu diagnostizierten NHL Fälle. DLBCL ist eine sehr heterogene Erkrankung die in drei verschiedene Gruppen klassifiziert wurde: aktivierter B-Zell Typ (ABC, activated B-cell), Keimzentrum B-Zell Typ (GCB, germinal center B-Cell) und Mediastinaler großzelliger B-Zell Typ (PMBL, primary mediastinal B-cell lymphoma). Erhöhte Expressionslevel von zellulärem IAP1 (cIAP, cellular IAP) und cIAP2 wurden ebenfalls in primären Tumorproben von DLBCL Patienten nachgewiesen. Smac mimetics wurden entwickelt, um IAPs zu antagonisieren und stellen damit eine Behandlungsstrategie für DLBCL Patienten dar, denn ca. 40 % aller DLBCL Patienten entwickeln ein Rezidiv oder erreichen gar keine Remission unter Standardtherapie. Jedoch ist der Effekt von Smac mimetics in einer Einzelbehandlung limitiert, weswegen Kombinationstherapien mit Smac mimetics eine vielversprechende Strategie für ihren klinischen Einsatz darstellen. Aus diesem Grund haben wir in dieser Arbeit den Effekt von Smac mimetic in Kombination mit Proteasom-Inhibitoren analysiert und einen speziellen Fokus auf den molekularen Mechanismus des ausgelösten Zelltodsignalweges gelegt.
Die Kombination verschiedener Konzentrationen des Smac mimetics BV6 mit dem Proteasom-Inhibitor carfilzomib (CFZ) löst in allen drei getesteten DLBCL Subtypen (ABC, GCB und PMBL) Zelltod aus. Die Kalkulation des Kombinationsindexes (CI, combination index) sowie des Bliss Scores, zwei quantitative Parameter zur Bestimmung eines Synergismus, zeigen, dass fast alle getesteten Kombinationen einen Synergismus aufweisen. Dies verdeutlicht, dass eine Co-Behandlung von BV6 und CFZ eine wirksame Kombination ist um Zelltod in DLBCL Zelllinien auszulösen. Außerdem zeigt eine Kombination von BV6 mit anderen Proteasom-Inhibitoren wie ixazomib (IXA) oder oprozomib (OPR), ebenfalls eine synergistische Reduktion der Zellviabilität. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der detektierte Effekt nicht auf eine Substanz limitiert ist, sondern, dass ein genereller Effekt von Smac mimetic und Proteasom-Inhibitoren vorliegt, um Zellviabilität in DLBCL zu reduzieren. BV6 und CFZ induzieren einen apoptotischen Zelltod, da sie die Spaltung und Aktivierung von Initiator- und Effektorcaspasen (Caspasen-3, -7, -8 und -9) initiieren und sich der induzierte Zelltod mit Hilfe des Caspasen-Inhibitors zVAD.fmk verhindern lässt. Die Behandlung mit BV6 und CFZ führt zu einer Akkumulation von NIK, ein Protein welches zur Aktivierung des non-kanonischen NF-kB Signalweges benötigt wird. Weitere Untersuchungen zeigen jedoch, dass NIK nicht an der Zelltodinduktion beteiligt ist, da eine siRNA-basierte Herunterregulierung des NIK Proteins keinen Einfluss auf die Zelltodinduktion nimmt. Ebenfalls ist der Zelltod unabhängig von dem TNFa Signalweg, da weder eine Behandlung mit dem TNFa Inhibitor Enbrel den Zelltod verringern kann noch eine zusätzliche Gabe von TNFa den Zelltod erhöht. Weitere mechanistische Studien zeigen eine kritische Rolle der mitochondrialen Apoptose für den BV6/CFZ-vermittelten Zelltod. Unter Behandlung mit BV6/CFZ wurde eine Aktivierung von BAX und BAK nachgewiesen, welche beide mit verantwortlich für die Porenbildung in der mitochondrialen Membran sind. Eine Herunterregulation dieser beiden Proteine mittels siRNA reduziert signifikant den durch BV6/CFZ-induzierten Zelltod auf ein Minimum. Gleichzeitig löst eine Co-Behandlung mit BV6/CFZ einen Verlust des mitochondrialen Membranpotentials (LOMMP, loss of mitochondrial membrane potential) aus. In Übereinstimmung mit den vorherigen Experimenten, zeigen wir eine Akkumulation von mitochondrialen reaktiven Sauerstoffspezies (ROS; reactive oxygen species), sowie einen generellen Anstieg des allgemeinen ROS Levels. Eine Behandlung mit BV6/CFZ zeigt eine deutliche Akkumulation des pro-apoptotischen Proteins NOXA. Um dessen funktionelle Relevanz zu überprüfen, wurde die Proteinmenge von NOXA mittels siRNA stark reduziert. Eine Behandlung mit der Kombination aus BV6 und CFZ zeigt daraufhin eine signifikant reduzierte Zelltodinduktion, was die funktionelle Relevanz von NOXA für den BV6/CFZ-vermittelten Zelltod unterstreicht. Immunopräzipitationsstudien zeigen, dass in RIVA und U2932 Zellen NOXA konstitutiv an seinen anti-apoptotischen Bindungspartner MCL-1 gebunden ist, was die Zellen bereits darauf vorbereitet Apoptose zu durchlaufen. Dieses sogenannte „primen“ für Apoptose wird durch die Behandlung mit BV6 und CFZ weiter verstärkt, da es die Bindung zwischen NOXA und MCL-1 weiter erhöht. Dadurch wird die Balance zwischen pro- und anti-apoptotischen Proteinen zu Gunsten der pro-apoptotischen Proteine verschoben und die Induktion von Apoptose begünstigt.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass DLBCL Zelllinien sensitiv auf eine Behandlung mit Smac mimetic und Proteasom-Inhibitor reagieren und damit eine mögliche neue Behandlungsstrategie für diese heterogene Tumorerkrankung darstellt.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der vergleichenden funktionalen Charakterisierung der E.coli Transporter LacY, FucP und XylE und des Glucose-Transporters GlcP aus Staphylococcus epidermidis sowie funktionsrelevanter Mutanten. Sie katalysieren in vivo den PMF-gekoppelten Zuckertransport und repräsentieren die major facilitator superfamily (MFS), einer der größten Transporter-Familien überhaupt. Die Studien wurden mithilfe einer elektrophysiologischen Methode auf Basis Festkörper-unterstützter Membranen (SSM) durchgeführt. Komplementär dazu wurden radioaktive Transportassays, fluorometrische Messungen, kinetische Simulationen und theoretische Berechnungen auf Basis der 3D-Strukturen durchgeführt. Experimentell bestimmte Zucker- und pH-Abhängigkeiten elektrogener steady-state und pre steady-state Reaktionen wurden verwendet, um ein allgemeingültiges kinetisches Modell aufzustellen.
Insgesamt konnten bei allen Transportern zwei elementare elektrogene Reaktionen identifiziert werden. Eine schnelle Zucker-induzierte Konformationsänderung wurde dem induced fit des Zuckermoleküls zugeordnet. Die Elektrogenität im steady-state wird dagegen durch den langsamen Transfer der negativ geladenen Protonenbindestelle bestimmt. Die für den Symport ratenlimitierende Reaktion ist abhängig von den äußeren Bedingungen wie pH-Werten, Zuckerkonzentrationen, Substrat-Spezies und Membranpotential meist die Konformationsänderung des leeren (P) oder des beladenen (PSH) Carriers, welche die Substratbindestellen im Zuge des Alternating Access über die Membran transferieren. Ein Wechsel zwischen hohen Protonenbindungs-pK-Werten und niedrigen Protonenfreisetzungs-pK-Werten durch weitere lokale Konformationsänderungen ist zentraler Bestandteil des Transportmechanismus. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Kopplung zwischen Zucker- und Protonen-Translokation, die sich zwischen E.coli Transportern und GlcP strikt unterscheidet. In E.coli Transportern erfolgt eine kooperative Bindung von Zucker und Proton. Zudem erfolgt keine Konformationsänderung im Zucker-gebundenen, unprotonierten Carrier (PS). In GlcP ist die Kopplung erheblich reduziert. Der Transport-Modus selbst ist abhängig von den äußeren Bedingungen. So katalysiert GlcP abhängig vom pH-Gradienten Uniport, Symport oder Antiport.
Die vorliegende Arbeit leistet einen wichtigen Beitrag zum Verständnis des PMF-gekoppelten Zuckertransports und zeigt die Grenzen des für LacY formulierten 6-Zustands-Modells mit nur zwei Konformationsänderungen auf. Ein erweitertes 8-Zustands-Modell mit vier Konformationsänderungen, die unterschiedliche Ratenkonstanten aufweisen können, erklärt sowohl Symport, Antiport als auch Uniport und berücksichtigt zudem die zahlreichen Ergebnisse für LacY aus der Literatur.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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. ...
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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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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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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 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 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.
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.
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.
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 transmembrane sodium translocation. Several lines of evidence indicate that the same histidine-switch mechanism operates in respiratory complex I.
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.
Bacteria constantly attempt to hold up ion gradients across their membranes to maintain their resting potential for routine cell function, while coping with sudden environmental changes. Under abrupt hyperosmotic conditions, as faced when invading a host, most bacteria restore their turgor pressure by taking up potassium ions to prevent death by plasmolysis. Here, the potassium transporter AB, or KtrAB for short, is a key player. KtrAB consists of the membrane-embedded KtrB dimer, which includes two pores organized in tandem, and a cytoplasmic, octameric KtrA ring, which regulates these two pores. The KtrB subunits alone were suggested to function as rather non-selective ion channels translocating potassium and sodium ions. The KtrA subunits confer transport velocity, K+ selectivity as well as Na+ and nucleotide dependency to the Ktr system. The nucleotide regulation by binding to KtrA is rather well characterized. In contrast, the regulatory role of Na+ remains elusive. Controversially discussed is how selective the ion translocation by KtrB is and how KtrA affects it. Although there are several functional and structural data available of KtrAB and its homolog TrkAH, the selectivity of the ion translocation was never thoroughly addressed. The functional characterization of whether KtrAB is a selective ion channel and how selectivity is achieved is in the focus of this thesis. Since selectivity is usually defined by the ion channels’ selectivity filter contained in the pore-forming domain, a particular attention was laid on the ion-translocating subunits KtrB.
KtrB belongs to the superfamily of K+ transporters (SKT). Each KtrB monomer consists of four covalently attached M1-P-M2 motifs, each motif is made of two transmembrane (TM or M) helices that are connected by a pore (P) helix. The four motifs, referred to as domains D1 to D4, are arranged in a pseudo-fourfold symmetry and together form the pore for potassium ion translocation. Each pore contains two structural features thought to be involved in ion selectivity and ion gating. These are the non-canonical selectivity filter and the intramembrane loop. The selectivity filter is localized at the extracellular side of the pore and mostly shaped by the backbone carbonyl groups of the loops connecting the P and M2 helices in each domain. In KtrB, each P-loop contains only one highly conserved glycine residue instead of the classical -TVGYG- signature sequence of a K+ channel. This simple constructed selectivity filter led to the hypothesis that KtrAB would only have low ion selectivity. The intramembrane loop is formed by broken helix D3M2 and is located directly under the selectivity filter. It consists mostly of polar residues and acts as a molecular gate restricting ion fluxes. The intramembrane loop has been shown to be regulated by nucleotide binding to KtrA. Additionally, it could directly or indirectly be affected by Na+ binding. Further, the loop might even be involved in ion selectivity because it presents a physical barrier inside the pore.
To address the ion selectivity of the Ktr system, first, the ion binding specificity of KtrB was investigated. Binding affinities of different cations to KtrB were determined using isothermal titration calorimetry (ITC). For this, KtrB from Vibrio alginolyticus was heterologously produced in and purified from Escherichia coli. 12 L of culture roughly yielded 4 to 8 mg of the functional KtrB dimer in detergent solution. ITC measurements were performed in two different buffers, one choline-Cl-based and one LiCl-based buffer. No differences in the affinity between Na+ (KD = 1.8 mM), K+ (KD = 2.9 mM), Rb+ (KD = 1.9 mM) or Cs+ (KD = 1.6 mM) were detected in the choline-Cl-based buffer; only Li+ did not bind. In contrast, ITC measurements in LiCl-based buffer revealed a significant preference for K+ (KD = 91 µM) over Rb+ (KD = 2.4 mM), Cs+ (KD = 1.7 mM) and particularly Na+ (for which no binding was observed). Similarly, the presence of low millimolar NaCl concentrations in the choline-Cl-based buffer led to a decreased KD value of 260 µM. Hence, small cations, which usually are present in the natural environment, seem to modulate the selectivity filter for a better binding of K+ ions providing K+ selectivity. In fact, the low binding affinities of the other ions could indicate that they do not even bind to the selectivity filter but to the cavity. However, ITC competition experiments showed that all four ions compete for the same or overlapping binding sites, with Rb+ and Cs+ even blocking K+ binding at concentrations 10-fold above their binding affinities. Importantly, at physiological NaCl concentrations of 200 mM, the apparent binding affinity for K+ to KtrB was still 3.5 mM. This suggested that Na+ can also bind to KtrB’s selectivity filter but with a comparably low binding affinity providing an unexpectedly high preference for K+ ions.
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The vascular endothelium is a monolayer of endothelial cells that builds the inner lining of the blood vessels and constitutes a regulatory organ within the physiological system to sustain homeostasis. Endothelial cells participate in physiological processes including inflammation and angiogenesis. Dysregulation of these processes, however, can evoke or maintain pathological disorders, including cardiovascular and chronic inflammatory diseases or cancer. Although pathological inflammation and angiogenesis represent treatable conditions, current pharmacotherapeutic approaches are frequently not satisfying since their long-term application can evoke therapy resistance and thus reduced clinical efficacy. Consequently, there is an ongoing demand for the discovery of new therapeutic targets and drug leads. Considering that endothelial cells play a critical role in both angiogenesis and inflammation, the vascular endothelium represents a promising target for the treatment of diseases.
Vioprolide A is a secondary metabolite isolated from the myxobacterium Cystobacter violaceus Cb. vi35. Recently, vioprolide A was identified to interact with NOP14, a nucleolar protein involved in ribosome biogenesis. Ribosome biogenesis is an indispensable cellular event that ensures adequate homeostasis. Abnormal alterations in the ribosome biogenesis, referred to as ribosomopathies, however, can lead to an overall increase in the risk of developing cancer. Accordingly, several studies have outlined the involvement of NOP14 in cancer progression and metastasis, and vioprolide A has been demonstrated to exert anti-cancer effects in vitro. However, the impact of vioprolide A and NOP14 on the endothelium has been neglected so far, although endothelial cells are crucially involved in inflammation and angiogenesis under both physiological and pathological conditions.
In the present study, the effect of vioprolide A on inflammatory and angiogenic actions was analysed. In vivo, the laser-induced choroidal neovascularization (CNV) assay outlined a strong inhibitory effect of vioprolide A on both inflammation and angiogenesis. Furthermore, intravital microscopy of the cremaster muscle in mice revealed that vioprolide A strongly impaired the TNF-induced leukocyte-endothelial cell interaction in vivo.
In further experiments, the specific effect of vioprolide A on activation processes of primary human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) was examined. According to the in vivo results, vioprolide A decreased the leukocyte-endothelial cell interaction in vitro through downregulating the cell surface expression and total protein expression of ICAM-1, VCAM-1 and E-selectin. Vioprolide A evoked its anti-inflammatory actions via a dual mechanism: On the one hand, the expression of pro-inflammatory proteins, including TNFR1 and cell adhesion molecules, was lowered through a general downregulation of de novo protein synthesis. The inhibition of de novo protein synthesis is most likely linked to the interaction with and inhibition of NOP14 by vioprolide A in HUVECs. On the other hand, the natural product prevented the nuclear translocation and promotor activity of the pro-inflammatory transcription factor NF-ĸB. Interestingly, most anti-inflammatory compounds that interfere with the NF-ĸB signaling pathway prevent NF-ĸB nuclear translocation through recovering or stabilizing the inhibitory IĸB proteins. Vioprolide A, however, decreased rather than stabilized the IĸB proteins and prevented NF-ĸB nuclear translocation through interfering with its importin-dependent nuclear import. By performing siRNA-mediated knockdown experiments, we evaluated the role of NOP14 in inflammatory processes in HUVECs and could establish a causal link between the anti-inflammatory actions of vioprolide A and the deletion of NOP14.
Besides exerting anti-inflammatory actions, we found that vioprolide A potently decreased the angiogenic key features proliferation, migration and sprouting of endothelial cells. Mechanistically, the natural product interfered with pro-angiogenic signaling pathways. Vioprolide A reduced the protein level of growth factor receptors, including VEGFR2, which is the most prominent receptor responsible for angiogenic signaling in endothelial cells. This effect was based on the general inhibition of de novo protein synthesis by the natural product. Downregulation of growth factor receptors impaired the activation of downstream signaling intermediates, including the MAPKs ERK, JNK and p38. To our surprise, however, activation of Akt, another downstream effector of VEGFR2, was increased rather than decreased. Furthermore, vioprolide A lowered the nuclear translocation of the transcriptional coactivator TAZ, which is regulated by the evolutionary conserved Hippo signaling pathway. Interestingly, however, and in contrast to NF-ĸB, TAZ nuclear translocation in mammalian cells seems to be independent of importins. In this context, we found that vioprolide A reduced both the protein level and nuclear localization of MAML1, which is needed to retain TAZ in the nucleus after its successful translocation.
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Pretubulysin (PT), a biosynthetic precursor of the myxobacterial compound tubulysin D, was recently identified as a novel microtubule-targeting agent (MTA) causing microtubule destabilization. MTAs are the most frequently used chemotherapeutic drugs. They are well studied regarding their direct cytotoxic effects against various tumors as well as for their anti-angiogenic and vascular-disrupting action addressing endothelial cells of the tumor vasculature. However, the impact of MTAs on endothelial cells of the non-tumor vasculature has been largely neglected, although tumor cell interactions with the healthy endothelium play a crucial role in the process of cancer metastasis. Besides their use as potent anti-cancer drugs, some MTAs such as colchicine are traditionally used or recommended for the therapy of inflammatory diseases. Here, too, the role of endothelial cells has been largely neglected, although the endothelium is crucially involved in regulating the process of inflammation.
In the present study, the impact of PT on tumor-endothelial cell interactions was therefore analyzed in vitro to gain insights into the mechanism underlying its anti-metastatic effect that was recently confirmed in vivo. In the second part of this work, the influence of PT and other MTAs, namely the microtubule-destabilizing compounds vincristine (VIN) and colchicine (COL) and the microtubule-stabilizing drug paclitaxel (PAC), on leukocyte-endothelial cell interactions was investigated in vitro and in vivo (only PT). It is important to mention that in all in vitro experiments solely endothelial cells and not tumor cells or leukocytes were treated with the MTAs to strictly focus on the role of the endothelium in the action of these compounds.
The impact of PT on tumor-endothelial cell interactions was analyzed in vitro by cell adhesion and transendothelial migration assays as well as immunocytochemistry using the breast cancer cell line MDA-MB-231 and primary human umbilical vein endothelial cells (HUVECs). The treatment of HUVECs with PT increased the adhesion of MDA cells onto the endothelial monolayer, whereas their transendothelial migration was reduced by the compound. Thereafter, the influence of PT on the endothelial cell adhesion molecules (CAMs) E-selectin, N-cadherin, ICAM-1, VCAM-1 and galectin-3 and on the CXCL12/CXCR4 chemokine system was examined, since they might be involved in the PT-triggered tumor cell adhesion. Interestingly, although PT induced the upregulation of ICAM-1, VCAM-1, N-cadherin and CXCL12, cell adhesion assays using neutralizing antibodies or the CXCL12 inhibitor AMD3100 revealed that all these molecules were dispensable for the PT-evoked tumor cell adhesion. As PT induces the formation of interendothelial gaps and MDA cells might adhere onto components of the underlying extracellular matrix (ECM), the precise location of MDA cells attached to the PT-treated endothelial monolayer was investigated. Instead of a direct interaction between tumor and endothelial cells, this work showed that MDA cells preferred to adhere to the ECM component collagen that was exposed within PT-triggered endothelial gaps. Both the PT-evoked increase in tumor cell adhesion onto and the decrease in trans-endothelial migration were completely abolished when β1-integrins were blocked on MDA cells. Similar results were obtained when endothelial cells were treated with VIN and COL but not PAC, indicating that the observed effects of PT depend on its microtubule-destabilizing activity.
The impact of PT, VIN, COL and PAC on leukocyte-endothelial cell interactions was analyzed in vivo (only PT) by intravital microscopy of the mouse cremaster muscle and in vitro by cell adhesion assays using the monocyte-like cell line THP-1 and TNFα-activated human dermal microvascular endothelial cells (HMEC-1). While PT did not affect the rolling of leukocytes on the endothelium, their firm adhesion onto and transmigration through the activated endothelium was reduced by PT in vivo. In accordance, the treatment of HMEC-1 with PT, VIN and COL decreased the TNFα-induced adhesion of THP-1 cells onto the endothelial monolayer, whereas PAC had no influence on this process. Thereafter, the influence of PT, VIN, COL and PAC on endothelial ICAM-1 and VCAM-1 was examined, since these molecules are substantially involved in the firm adhesion of leukocytes onto the endothelium. The cell surface protein expression of ICAM-1 and VCAM-1 was reduced by PT, VIN and COL in activated endothelial cells, whereas PAC did only slightly affect the TNFα-induced upregulation of VCAM-1. As the pro-inflammatory transcription factor NFκB plays a crucial role in the TNFα-induced expression of these CAMs, the impact of the MTAs on the NFκB promotor activity was investigated. While PT, VIN and COL decreased the activation of NFκB in activated endothelial cells, PAC did not affect this process. However, in contrast to the strong effects regarding the cell surface protein expression of ICAM-1 and VCAM-1, the effects of PT, VIN and COL on the NFκB activity was rather low. Thus, the used MTAs might also affect other relevant signaling pathways and/or the intracellular transport of CAMs might be influenced by the impact of the MTAs on the microtubule network.
Taken together, the current study provides – at least in part – an explanation for the anti-metastatic potential of PT and gives first insights into the use of PT and VIN as anti-inflammatory drugs. Moreover, this work highlights the endothelium as an attractive target for the development of new anti-cancer and anti-inflammatory drugs.
This dissertation contains two chapters. Each chapter covers a unique topic within RNA sci-ence and is divided in two sub sections, part A and B. Each chapter contains an introduction.
Chapter 1 gives an insight into challenges encountered during sample design and preparation for single molecule Förster energy transfer (smFRET) spectroscopy and offers a solution via a newly establishedestablished workflow to obtain accurate smFRET constructs. Following this workflow, a FRET network could be generated, which allowed a detailed structural dynamics study on H/ACA RNP during catalysis with smFRET spectroscopy. This led to detailed mech-anistic insights into H/ACA RNPs dynamics during catalysis.
Chapter 2 deals with RNA synthetic biology whereby a novel eclectic design strategy for RNA of interest (ROI) release platform is presented, which allows to release a diverse ROI se-quences with single nucleotide precision triggered by an external stimulus. This design strat-egy was used to establish a ROI release system and its powerful performance in in vitro and in vivo applications was shown.
This dissertation contains two chapters. Each chapter covers a unique topic within RNA science and is divided in two sub sections, part A and B. Each chapter contains an introduction.
Chapter 1 gives an insight into challenges encountered during sample design and preparation for single molecule Förster energy transfer (smFRET) spectroscopy and offers a solution via a newly establishedestablished workflow to obtain accurate smFRET constructs. Following this workflow, a FRET network could be generated, which allowed a detailed structural dynamics study on H/ACA RNP during catalysis with smFRET spectroscopy. This led to detailed mechanistic insights into H/ACA RNPs dynamics during catalysis.
Chapter 2 deals with RNA synthetic biology whereby a novel eclectic design strategy for RNA of interest (ROI) release platform is presented, which allows to release a diverse ROI sequences with single nucleotide precision triggered by an external stimulus. This design strategy was used to establish a ROI release system and its powerful performance in in vitro and in vivo applications was shown.
Investigation of co-translational protein folding using cryo-EM and solid-state NMR enhanced by DNP
(2020)
Die zelluläre Proteinbiosynthese findet am Peptidyltransferase-Zentrum innerhalb der großen ribosomalen Untereinheit statt. Die neu synthetisierte Polypeptidkette passiert den ribosomalen Exit-Tunnel, der 80-100 Å lang und 10-20 Å breit ist. Proteinfaltung findet kotranslational statt, während die Peptidkette durch den ribosomalen Tunnel geschleust wird. Zu welchem Ausmaß die Proteine ihre native Struktur noch am Ribosom gebunden annehmen, steht im Fokus aktueller Studien. Verschiedene Methoden, die naszierende Proteinkette am Ribosom zu arretieren und die Faltung des Proteins untersuchen zu können, wurden entwickelt. Zur Herstellung von Ribosom naszierenden Proteinkomplexen (RNCs) in vivo werden Arrestierungspeptide (APs) verwendet. Ein oft genutztes AP ist die 17 Aminosäuren lange SecM Sequenz des E. coli Sekretionsmonitors, das C-Terminal an das zu untersuchende Protein kloniert werden kann und dadurch die Peptidkette am Ribosom behält. RNCs wurden mittels verschiedener Methoden untersucht, einschließlich Proteolyse-Experimenten, enzymatischen Aktivitätsmessungen, FRET, Cryo-EM und NMR-Spektroskopie. Alle Methoden zeigten auf, dass sich die Proteine kotranslational falten und auch am Ribosom eine funktionale Struktur annehmen können. Außerdem konnte eine Peptidkette eine α-Helix innerhalb des Ribosoms ausbilden. Ebenso wurden nicht-native kompakte Strukturen innerhalb der Vestibule detektiert.
Die Translation ist ein nicht-uniformer Prozess und der genetische Code degeneriert mit bis zu sechs Codons, die eine einzelne Aminosäure kodieren. Die Verteilung dieser synonymen Codons ist nicht zufällig und sie werden mit verschiedenen Frequenzen innerhalb eines ORFs verwendet. Codons mit einer höheren tRNA Häufigkeit werden schneller eingebaut als Codons, die seltener verwendet werden. Diese seltenen Codons sind häufig zwischen Proteindomänen oder Sekundärstrukturelementen platziert und könnten daher zur Separierung von Faltungsevents dienen. Dass der Austausch von synonymen Codons nicht ohne Folgen ist, zeigten verschiedene Studien. Buhr et al. (2016) zeigte, dass der synonyme Austausch die Translationsgeschwindigkeit, aber auch die Proteinkonformation des bovinen Augenlinsenproteins γB crystallin (GBC) beeinflusst. Während die unmodifizierte Gensequenz aus B. taurus in E. coli langsamer translatiert wurde und zu einem vollständig reduzierten GBC Protein (U) führte, wurde die harmonisierte Genvariante, die der Codon-Verwendung in E. coli angepasst war, schneller exprimiert und resultierte in einem teilweise oxidierten GBC Protein (H). Dieser Befund war der Ausgangspunkt für diese Doktorarbeit.
Die gemessenen Oxidationsunterschiede basieren auf der unterschiedlichen Translationsgeschwindigkeit der beiden Gensequenzen. Die N-terminale Domäne (NTD) des Zweidomänen-Proteins GBC enthält sechs der insgesamt sieben Cysteinreste. Nur in dieser Domäne wurde Oxidation detektiert und die drei Cysteine Cys18, Cys22 und Cys78 bilden eine Ansammlung mit einem Abstand von 5.4-6.4 Å. Um zu untersuchen, ob die Unterschiede bereits nach der Translation der NTD ausgebildet werden, wurde ein Ein-Domänen-Konstrukt hergestellt. Dieses Konstrukt beinhaltete die Aminosäuren 1-82, aber nicht den Peptidlinker, der beide Domänen verbindet. Allerdings wurden bei der Translation der ersten 70 Aminosäuren die meisten Translationspausen detektiert. Das 2D 1H-15N HSQC wies anhand der unterschiedlichen chemischen Verschiebung der Signale auf eine gefaltete Proteinstruktur hin. Daher konnte sich die NTD ohne Beteiligung der CTD eigenständig falten. Zugabe von DTT zu beiden Proteinvarianten U und H führte zu keinem messbaren Effekt. Im Gegensatz zu dem Volllängen-Protein, in dem die Variante H teilweise oxidiert war, war die NTD der Variante H vollständig reduziert.
Zusätzlich sollte geklärt werden, ob auch mögliche Disulfidbrücken im Inneren des Ribosoms ausgebildet werden können. Dann könnte in beiden Genvarianten eine anfängliche Disulfidbrücke ausgebildet werden und durch die unterschiedliche Translationsgeschwindigkeit die Disulfidbrücke in der langsamen Genvariante im E. coli Zytosol reduziert werden, während diese in der schneller translatierten Variante von der CTD geschützt wird. Um zu untersuchen, ob in der Tat Disulfidbrücken im ribosomalen Tunnel ausgebildet werden können, wurden GBC-Fragmente mittels der SecM Sequenz an das Ribosom arretiert und diese RNCs mittels theoretischer Simulation, Festkörper-NMR, Massenspektrometrie und Cryo-EM gemessen.
Theoretische Simulation mittels flexible-mecanno zeigten, dass der ribosomale Tunnel groß genug für die Ausbildung verschiedenster Disulfidbrücken ist. In einem U32SecM Konstrukt, das vier Cysteine und die SecM Sequenz beinhaltet, konnten alle theoretisch möglichen Disulfidbrücken gebildet werden.
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Investigating the inhibition of anti-apoptotic BCL-2 family proteins in pediatric cancer cells
(2020)
Cancer is amongst the leading causes of death in childhood. Rhabdomyosarcoma (RMS) is the most frequently occurring soft tissue sarcoma in children and adolescents. It presumably arises from mesenchymal progenitors of skeletal muscle cells and presents with different subtypes that differ both histologically and genetically. Osteosarcoma (OS) and Ewing sarcoma (ES) are the most frequently diagnosed pediatric bone tumors. Even though the prognosis of these cancer entities improved significantly during recent decades, the survival rates are currently stagnating. Especially, dismal prognosis of relapsed and metastasizing cases of these malignancies urgently call for novel treatment options. BCL-2 proteins are vital guardians that control intrinsic apoptosis. Furthermore, it was shown that BCL-2 proteins critically regulate apoptosis in pediatric solid tumors. BH3 mimetics are small molecules that bind and inhibit anti-apoptotic BCL-2 proteins. They have already been investigated as cancer therapeutics for several years and show first encouraging clinical results. Therefore, we hypothesized that targeting BCL-2, MCL-1 and BCL-XL might be a promising approach to treat RMS, OS and ES.
In this study, we aimed to comprehensively evaluate the potential of anti-apoptotic BCL-2 family proteins as therapeutic targets for pediatric solid tumors such as RMS, OS and ES.
Notably, RMS, OS and ES cells largely expressed the most relevant BCL-2 family protein members. However, cells were widely insensitive to single pharmacological inhibition of either BCL-XL, BCL-2 or MCL-1 by A-1331852, ABT-199 and S63845, respectively. This finding was independent of their BCL-2 family protein expression levels. Significantly, co-administration of A-1331852 and S63845 induced cell death in RMS, OS and ES cell lines in a highly synergistic manner. Transient silencing of MCL-1 and/or BCL-XL verified the co-dependency of RMS cells on these proteins for survival. Importantly, A-1331852/S63845 co-treatment was more efficient in causing cell death in RMS, OS and ES cells than either inhibitor combined with ABT-199. Efficacy of A-1331852/S63845 co-treatment could be additionally demonstrated in a primary sample of pediatric malignant epithelioid mesothelioma.
Mechanistically, concomitant A-1331852/S63845 treatment mediated rapid intrinsic apoptosis involving swift loss of the mitochondrial outer membrane potential as well as activation of caspases-3, -8 and -9. An observed caspase dependent loss of MCL-1 might further amplify the A-1331852/S63845 triggered pro-death signaling. Furthermore, we identified BAX and BAK as key mediators of apoptosis caused by dual inhibition of MCL-1 and BCL-XL. A-1331852/S63845 induced cell death was relying on BAX and/or BAK in a cell line dependent manner. Interestingly, treatment with A-1331852 and S63845 liberated BAK from its interaction with MCL-1 and BCL-XL. Moreover, BAX and BAK were activated and interacted with each other to form a pore in the outer mitochondrial membrane. Further, in RD cells BIM and NOXA partially contributed to A-1331852/S63845 mediated cell death. Consistently, in this cell line BIM and NOXA were disrupted from their binding to BCL-XL and MCL-1 by A-1331852 and S63845, respectively. However, BH3 only proteins were not involved in A-1331852/S63845 induced cell death in Kym-1 cells. Therefore, we concluded that BH3 only proteins played only a marginal and cell line dependent role in mediating cell death caused by MCL-1 and BCL-XL co-repression.
Notably, A-1331852/S63845 co-treatment spared non-malignant fibroblasts, myoblasts and peripheral blood mononuclear cells, which suggests a therapeutic window for its application in vivo. Besides, we could demonstrate that sequential BH3 mimetic treatment still significantly induced cell death, albeit to minor extents compared to its dual administration. Importantly, we successfully evaluated concomitant treatment with A-1331852 and S63845 in multicellular RMS spheroids and in an in vivo embryonic chicken model of RMS. These findings stress the high transcriptional relevance of A-1331852/S63845 as an emerging novel cancer regimen.
Collectively, the thesis at hand explored the great potential of co-treatment with A-1331852 and S63845 in pediatric solid tumors and unveiled the underlying molecular mechanisms of cell death in RMS. Together, the current investigations support further preclinical and clinical studies to evaluate the effect of dual MCL-1 and BCL-XL targeting in pediatric solid tumors.
Oligonucleotide-based therapeutics have made rapid progress in clinical treatment of a variety of disease indications. Since most therapeutic oligonucleotides serve more than just one function and tend to have a prolonged lifetime, spatio-temporal control of these functions would be desirable. Photoswitches like azobenzene have proven themselves as useful tools in this matter. Upon irradiation, the photoisomerization of the azobenzene moiety causes destabilization in adjacent base pairs, leading to a decreased hybridization affinity. Since the way the azobenzene is incorporated in the oligonucleotide is of utmost importance, we synthesized locked azobenzene C-nucleosides and compared their photocontrol capabilities to established azobenzene C-nucleosides in oligonucleotide test-sequences by means of fluorescence-, UV/Vis-, and CD-spectroscopy.
Internationale Fachkonferenz im Hybrid-Format : Nachbericht zur Frankfurt Cancer Conference 2021
(2021)
RNA-sequencing analyses are often limited to identifying lowest p-value transcripts, which does not address polygenic phenomena. To overcome this limitation, we developed an integrative approach that combines large scale transcriptomic meta-analysis of patient brain tissues with single-cell sequencing data of CNS neurons, short RNA-sequencing of human male- and female-originated cell lines, and connectomics of transcription factor- and microRNA-interactions with perturbed transcripts. We used this pipeline to analyze cortical transcripts of schizophrenia and bipolar disorder patients. While these pathologies show massive transcriptional parallels, their clinically well-known sexual dimorphisms remain unexplained. Our method explicates the differences between afflicted men and women, and identifies disease-affected pathways of cholinergic transmission and gp130-family neurokine controllers of immune function, interlinked by microRNAs. This approach may open new perspectives for seeking biomarkers and therapeutic targets, also in other transmitter systems and diseases.
RNA sequencing analyses are often limited to identifying lowest p value transcripts, which does not address polygenic phenomena. To overcome this limitation, we developed an integrative approach that combines large-scale transcriptomic meta-analysis of patient brain tissues with single-cell sequencing data of CNS neurons, short RNA sequencing of human male- and female-originating cell lines, and connectomics of transcription factor and microRNA interactions with perturbed transcripts. We used this pipeline to analyze cortical transcripts of schizophrenia and bipolar disorder patients. Although these pathologies show massive transcriptional parallels, their clinically well-known sexual dimorphisms remain unexplained. Our method reveals the differences between afflicted men and women and identifies disease-affected pathways of cholinergic transmission and gp130-family neurokine controllers of immune function interlinked by microRNAs. This approach may open additional perspectives for seeking biomarkers and therapeutic targets in other transmitter systems and diseases.
Polymorphic G-quadruplex (G4) secondary DNA structures have received increasing attention in medicinal chemistry owing to their key involvement in the regulation of the maintenance of genomic stability, telomere length homeostasis and transcription of important proto-oncogenes. Different classes of G4 ligands have been developed for the potential treatment of several human diseases. Among them, the carbazole scaffold with appropriate side chain appendages has attracted much interest for designing G4 ligands. Because of its large and rigid π-conjugation system and ease of functionalization at three different positions, a variety of carbazole derivatives have been synthesized from various natural or synthetic sources for potential applications in G4-based therapeutics and biosensors. Herein, we provide an updated close-up of the literatures on carbazole-based G4 ligands with particular focus given on their detailed binding insights studied by NMR spectroscopy. The structure-activity relationships and the opportunities and challenges of their potential applications as biosensors and therapeutics are also discussed. This review will provide an overall picture of carbazole ligands with remarkable G4 topological preference, fluorescence properties and significant bioactivity; portraying carbazole as a very promising scaffold for assembling G4 ligands with a range of novel functional applications.
5-Lipoxygenase (5-LO) is the key enzyme in the formation of pro-inflammatory leukotrienes (LT) which play an important role in a number of inflammatory diseases. Accordingly, 5-LO inhibitors are frequently used to study the role of 5-LO and LT in models of inflammation and cancer. Interestingly, the therapeutic efficacy of these inhibitors is highly variable. Here we show that the frequently used 5-LO inhibitors AA-861, BWA4C, C06, CJ-13,610 and the FDA approved compound zileuton as well as the pan-LO inhibitor nordihydroguaiaretic acid interfere with prostaglandin E2 (PGE2) release into the supernatants of cytokine-stimulated (TNFα/IL-1β) HeLa cervix carcinoma, A549 lung cancer as well as HCA-7 colon carcinoma cells with similar potencies compared to their LT inhibitory activities (IC50 values ranging from 0.1–9.1 µM). In addition, AA-861, BWA4C, CJ-13,610 and zileuton concentration-dependently inhibited bacterial lipopolysaccharide triggered prostaglandin (PG) release into human whole blood. Western Blot analysis revealed that inhibition of expression of enzymes involved in PG synthesis was not part of the underlying mechanism. Also, liberation of arachidonic acid which is the substrate for PG synthesis as well as PGH2 and PGE2 formation were not impaired by the compounds. However, accumulation of intracellular PGE2 was found in the inhibitor treated HeLa cells suggesting inhibition of PG export as major mechanism. Further, experiments showed that the PG exporter ATP-binding cassette transporter multidrug resistance protein 4 (MRP-4) is targeted by the inhibitors and may be involved in the 5-LO inhibitor-mediated PGE2 inhibition. In conclusion, the pharmacological effects of a number of 5-LO inhibitors are compound-specific and involve the potent inhibition of PGE2 export. Results from experimental models on the role of 5-LO in inflammation and pain using 5-LO inhibitors may be misleading and their use as pharmacological tools in experimental models has to be revisited. In addition, 5-LO inhibitors may serve as new scaffolds for the development of potent prostaglandin export inhibitors.
Rat renal mesangial cells express high levels of matrix metalloproteinase 9 (MMP-9) in response to inflammatory cytokines such as interleukin 1beta (IL-1beta). We tested whether ligands of the peroxisome proliferator-activated receptor (PPARalpha) could influence the cytokine-induced expression of MMP-9. Different PPARalpha agonists dose-dependently inhibited the IL-1beta-triggered increase in gelatinolytic activity mainly by decreasing the MMP-9 steady-state mRNA levels. PPARalpha agonists on their own had no effects on MMP-9 mRNA levels and gelatinolytic activity. Surprisingly, the reduction of MMP-9 mRNA levels by PPARalpha activators contrasted with an amplification of cytokine-mediated MMP-9 gene promoter activity and mRNA expression. The potentiation of MMP-9 promoter activity functionally depends on an upstream peroxisome proliferator-responsive element-like binding site, which displayed an increased DNA binding of a PPARalpha immunopositive complex. In contrast, the IL-1beta-induced DNA-binding of nuclear factor kappaB was significantly impaired by PPARalpha agonists. Most interestingly, in the presence of an inducible nitric-oxide synthase (iNOS) inhibitor, the PPARalpha-mediated suppression switched to a strong amplification of IL-1beta-triggered MMP-9 mRNA expression. Concomitantly, activators of PPARalpha potentiated the cytokine-induced iNOS expression. Using actinomycin D, we found that NO, but not PPARalpha activators, strongly reduced the stability of MMP-9 mRNA. In contrast, the stability of MMP-9 protein was not affected by PPARalpha activators. In summary, our data suggest that the inhibitory effects of PPARalpha agonists on cytokine-induced MMP-9 expression are indirect and primarily due to a superinduction of iNOS with high levels of NO reducing the half-life of MMP-9 mRNA.
The ability of some knotless phytochromes to photoconvert without the PHY domain allows evaluation of the distinct effect of the PHY domain on their photodynamics. Here, we compare the ms dynamics of the single GAF domain (g1) and the GAF-PHY (g1g2) construct of the knotless phytochrome All2699 from cyanobacterium Nostoc punctiforme. While the spectral signatures and occurrence of the intermediates are mostly unchanged by the domain composition, the presence of the PHY domain slows down the early forward and reverse dynamics involving chromophore and protein binding pocket relaxation. We assign this effect to a more restricted binding pocket imprinted by the PHY domain. The photoproduct formation is also slowed down by the presence of the PHY domain but to a lesser extent than the early dynamics. This indicates a rate limiting step within the GAF and not the PHY domain. We further identify a pH dependence of the biphasic photoproduct formation hinting towards a pKa dependent tuning mechanism. Our findings add to the understanding of the role of the individual domains in the photocycle dynamics and provide a basis for engineering of phytochromes towards biotechnological applications.
This work investigated the influence of the CRISPR/Cas9 mediated knockout of 5-lipoxygenase (5-LO) on different adherent tumour cell lines derived from solid tumours. For this, the 5-LO expressing tumour cell lines HCT-116, HT-29, and U-2 OS were transiently transfected using a plasmid carrying the CRISPR/Cas9 complex sequence to the ALOX5 gene. Subsequently, cells were selected using Puromycin and analysed via Western blotting and DNA Sanger sequencing. Cells that were transfected with a control plasmid missing the guide RNA sequence, were used as a control for all experiments.
Differential gene expression analysis, performed after next-generation RNA sequencing, revealed that the expression of various genes was altered after the knockout of 5-LO. In HCT-116 cells, 28 genes were expressed differentially in all 5-LO knockout single-cell clones, while in HT-29 cells the expression of 18 genes and in U-2 OS cells of 234 genes was influenced by the knockout of 5-LO. These findings were validated by real-time qPCR. A lot of the genes that were influenced by the 5-LO knockout are known to be connected to epithelial-mesenchymal-transition (EMT), a process necessary for tumour metastasis. The results from RNA sequencing were the starting point for further investigations. In the following, different aspects of the tumour cell lines were examined. In HT-29, as
well as in U-2 OS cells, it was shown that knockout of the 5-LO resulted in impaired cell proliferation. Also, the formation of three-dimensional tumour spheroids was altered. In HT-29 cells, the knockout of 5-LO increased the number of cells in spheroids. In contrast, in U-2 OS cells, the number of cells per spheroid was decreased, even though the diameter of the spheroids was increased, due to more loosely packed spheroids. The difference between 5-LO positive and negative U-2 OS cells became even more obvious after embedding the spheroids in an artificial extracellular matrix. In that scenario, cells lacking the 5-LO formed smaller spheroids that did not have the same ability to grow into the extracellular matrix as 5-LO positive cells did. Also, directed cell migration was strongly influenced by the knockout of 5-LO. In both, HCT-116 and U-2 OS cells, directed cell migration towards a serum gradient was increased in 5-LO knockout single-cell clones. Pharmacological inhibition of the enzyme was used to investigate, whether canonical or non-canonical functions were responsible for the previously mentioned effects.
Therefore, vector control cells were treated with the 5-LO inhibitors Zileuton and CJ-13610 in different concentrations. Interestingly, only some of the effects mediated by the complete knockout of 5-LO could be reproduced by inhibiting the enzyme, leading to the suggestion, that canonical, as well as non-canonical functions of 5-LO, play a role in these tumour cells.
To conclude, it was shown in this study, that 5-LO affects various cellular functions when expressed in adherent tumour cell lines. These cell line-dependent effects result in altered gene expression, enhanced proliferation, and spheroid formation, as well as impaired cell motility, and can be mediated by enzymatic activity as well as other non-canonical functions.
In the recent years, myxobacteria have emerged as a novel source of natural compounds with structural diversity and biological activity for drug discovery. In this work, the two myxobacterial compounds archazolid and vioprolide were characterized for their potential pharmacological effects in vascular endothelial cells. Archazolid is a wellestablished v-ATPase inhibitor found in Archangium gephyra and Cystobacter spec. As the v-ATPase represents a promising target in cancer treatment, the effects of archazolid have been intensively studied in cancer cells, but rarely in endothelial cells. Vioprolide is an antifungal and cytotoxic metabolite obtained from Cystobacter violaceus. There are only few studies on vioprolide, most of them focusing on its biosynthesis. Preliminary studies revealed that it inhibited TNF-induced expression of ICAM-1, indicating possible anti-inflammatory properties. As the endothelium plays an important role in cancer and inflammation, it represents an attractive drug target. Therefore, the archazolid and vioprolide were investigated regarding their effects on endothelial cells.
V-ATPase inhibition by archazolid resulted in anti-tumor and anti-metastatic effects in vitro and in vivo. Archazolid was used to study the consequences of v-ATPase inhibition in endothelial cells that might contribute to the anti-metastatic activities observed in vivo. To analyze the impact of archazolid on the interaction endothelial and cancer cells, in vitro cell adhesion and transmigration assays were performed using primary HUVEC or immortalized HMEC-1 and different cancer cell types (MDA-MB-231, PC-3 and Jurkat cells). For these experiments, only the endothelial cells were treated with archazolid. VATPase inhibition by archazolid led to an increased adhesion of the metastatic breast cancer cell line MDA-MB-231 and prostate cancer cell line PC-3 onto endothelial cells whereas the adhesion of Jurkat cells was unaffected. Interestingly, archazolid treatment of HUVECs decreased the transendothelial migration of MDA-MB-231 cells. Endothelial ICAM-1, VCAM-1, E-selectin and N-cadherin are potential ligands of interacting cancer cells. Therefore, the mRNA and surface protein levels of these cell adhesion molecules were measured via qRT-PCR and flow cytometry, respectively. These adhesion molecules were not responsible for the archazolid-induced cancer cell adhesion, as archazolid treatment of HUVECs did not upregulate their mRNA or surface expression. Instead, cell adhesion assays using a monoclonal antibody against integrin subunit β1 showed that β1-integrins expressed on MDA-MB-231 and PC-3 cells mediated the archazolid-induced cancer cell adhesion. Cell adhesion assays onto plastic coated with ECM components which are the major ligands of β1-integrins, revealed that MDA-MB231 and PC-3 cells preferably interact with collagen. So next, we investigated the influence of archazolid on surface collagen levels in HUVECs by immunostaining, which demonstrated an increase of nearly 50 % upon archazolid treatment. We confirmed the hypothesis that the expression and activity of cathepsin B, a lysosomal enzyme that degrades extracellular matrix components including collagen, was inhibited by archazolid in endothelial cells. Finally, overexpression of cathepsin B reduced the cancer cell adhesion on archazolid-treated HUVECs, but also in control cells, indicating a negative correlation between cathepsin B expression and cancer cell adhesion.
The influence of vioprolide on the interaction of endothelial cells with leukocytes was analyzed by in vitro cell adhesion assays using HUVECs and primary monocytes, THP-1 or Jurkat cells. Vioprolide inhibited the adhesion of these cells onto TNF-activated HUVECs. In addition, the endothelial-leukocyte interaction was observed in vivo by intravital microscopy in the mouse cremaster muscle. Vioprolide prevented the TNFinduced firm adhesion and transmigration of leukocytes, while leukocyte rolling was not affected. ICAM-1, VCAM-1 and E-selectin are cell adhesion molecules, which are upregulated by TNF and mediate leukocyte adhesion onto endothelial cells. Therefore, flow cytometric analysis was performed to measure their surface expression. Vioprolide significantly decreased TNF-induced expression of surface ICAM-1, VCAM-1 and E-selectin, which was in line with the in vitro results. In vivo, vioprolide may act in a different way on E-selectin expression, so that leukocyte rolling, which is governed by E-selectin, remained unaffected. qRT-PCR experiments revealed that the mRNA expression of ICAM-1 and VCAM-1 were also reduced by vioprolide, indicating a regulation on transcriptional level. In contrast, the mRNA expression of E-selectin was not decreased at the timepoint when surface protein expression was diminished. The induction of these cell adhesion molecules is mainly mediated by the transcription factor NFκB. A Dual-Luciferase® reporter assay was used to study the impact of vioprolide on the TNF-induced NFκB promotor activity. Vioprolide blocked the TNF-induced NFκB promotor activity while the TNF-induced IκBα degradation and nuclear translocation of the NFκB subunit p65 was not altered by vioprolide. Western blot analysis revealed that vioprolide had no effect on the activation of MAPK (p38, JNK) and AKT by TNF, which could interfere with the NFκB-dependent gene expression.
Taken together, archazolid and vioprolide are interesting myxobacterial compounds with different modes of actions. The study suggests that the v-ATPase inhibitor archazolid impairs the expression and activity of cathepsin B in endothelial cells, which leads to a higher amount of collagen on the endothelial surface. As a result, the adhesion of β1-integrin expressing metastatic cancer cells onto archazolid-treated endothelial cells increased while transendothelial migration was reduced. Further, archazolid represents a promising tool to elucidate the role of v-ATPase in endothelial cells. Vioprolide was able to prevent TNF-induced endothelial-leukocyte interaction in vitro and in vivo by interfering with NFκB-dependent gene expression. Further research is required to enlighten the underlying mechanism and the direct target of vioprolide.
Standard cancer therapy research targets tumor cells while not considering the damage on the tumor microenvironment (TME) and its associated implications in impairing therapy response. Employing patients-derived organoids (PDOs) and matched stroma cells or a novel murine preclinical rectal cancer model of local radiotherapy, it was demonstrated that tumor cells-derived IL-1α polarizes cancer-associated fibroblasts towards an inflammatory (iCAFs) phenotype. While numerous studies in different tumor entities highlighted the molecular heterogeneity of CAFs, so far there are no clear findings on their functional heterogeneity and relevance in therapy resistance and response. The present study molecularly characterized iCAFs subpopulation among RCA patients as well as the preclinical mouse model and importantly unraveled the detailed molecular mechanism underlying their contribution to impair therapy response. Mechanistically, iCAFs were demonstrated to be characterized by an upregulation of nitric oxide synthase (iNOS) which triggered accumulation of reactive nitrogen species (RNS) and subsequently an oxidative DNA damage response (DDR). Such a baseline IL-1α-driven DNA damage further sensitized iCAFs to a p53-mediated therapy induced senescence (TIS) causing extensive extracellular matrix (ECM) changes and induction of senescence associated secretory phenotype (SASP) that favored tumor progression and hindered tumor cell death. Moreover, iCAFs reversibility and repolarization into more quiescent like phenotype was demonstrated upon IL-1 signaling inhibition by anakinra, a recombinant IL-1 receptor antagonist (IL1RA). Accordingly, treating mice with anakinra or specific deletion of Il1r1 in CAFs sensitized stroma-rich resistant tumors to chemoradiotherapy (CRT). Similarly, targeting CAFs senescence by senotherapy (venetoclax chemical) or employing Trp53 deficient mice reverted therapy resistance among non-responsive tumors in vivo by reducing ECM deposition and consequently favoring CD8+ T cells intratumoral infiltration posttherapy. Importantly, rectal cancer patients that do not completely respond to neoadjuvant therapy displayed an iCAFs senescence program post-CRT. Moreover, these patients presented a baseline increased CAFs content, a dominant iCAFs signature that correlated with poorer disease-free survival (DFS) and a significantly reduced circulating IL1RA serum levels. While reduced pretherapeutic IL1RN gene expression predicted poor prognosis among RCA patients, IL1RA serum levels were associated with rs4251961 (T/C) single nucleotide polymorphism (SNP) in the IL1RN gene. Finally, functional validation assays revealed that conditioned media of PDOs drove inflammatory polarization of fibroblasts and consequently rendered them sensitive to RNS-mediated DNA damage and TIS. Collectively, the study highlighted a crucial and novel role of a CAFs subset, iCAFs, in therapy resistance among RCA patients, shedding light on their functional relevance by identifying IL-1 signaling as an appealing target for their repolarization and successful targeting. Therefore, it makes sense to combine the newly demonstrated and thoroughly proven therapeutic approach of targeting IL-1 signaling in combination with conventional CRT and possibly immunotherapy. This might have a major impact on RCA therapy and be of immense relevance for other stroma-rich tumors.
Mesoporous silica has emerged as an enabling formulation for poorly soluble active pharmaceutical ingredients (APIs). Unlike other formulations, mesoporous silica typically does not inhibit precipitation of supersaturated API therefore, a suitable precipitation inhibitor (PI) should be added to increase absorption from the gastrointestinal (GI) tract. However, there is limited research about optimal processes for combining PIs with silica formulations. Typically, the PI is added by simply blending the API-loaded silica mechanically with the selected PI. This has the drawback of an additional blending step and may also not be optimal with regard to release of drug and PI. By contrast, loading PI simultaneously with the API onto mesoporous silica, i.e. co-incorporation, is attractive from both a performance and practical perspective. The aim of this study was to demonstrate the utility of a co-incorporation approach for combining PIs with silica formulations, and to develop a mechanistic rationale for improvement of the performance of silica formulations using the co-incorporation approach. The results indicate that co-incorporating HPMCAS with glibenclamide onto silica significantly improved the extent and duration of drug supersaturation in single-medium and transfer dissolution experiments. Extensive spectroscopic characterization of the formulation revealed that the improved performance was related to the formation of drug-polymer interactions already in the solid state; the immobilization of API-loaded silica on HPMCAS plates, which prevents premature release and precipitation of API; and drug-polymer proximity on disintegration of the formulation, allowing for rapid onset of precipitation inhibition. The data suggests that co-incorporating the PI with the API is appealing for silica formulations from both a practical and formulation performance perspective.
In the development of photolabile protecting groups, it is of high interest to selectively modify photochemical properties with structural changes as simple as possible. In this work, knowledge of fluorophore optimization was adopted and used to design new coumarin- based photocages. Photolysis efficiency was selectively modulated by inactivating competitive decay channels, such as twisted intramolecular charge transfer (TICT) or hydrogen-bonding, and the photolytic release of the neurotransmitter serotonin was demonstrated. Structural modifications inspired by the fluorophore ATTO 390 led to a significant increase in the uncaging cross section that can be further improved by the simple addition of a double bond. Ultrafast transient absorption spectroscopy gave insights into the underlying solvent-dependent photophysical dynamics. The chromophores presented here are excellently suited as new photocages in the visible wavelength range due to their simple synthesis and their superior photochemical properties.
Objectives: The main objective of the present work was to combine in vitro and in silico tools to better understand the in vivo behavior of the immediate release (IR) formulation of zolpidem in the fasted and fed states.
Methods: The dissolution of zolpidem was evaluated using biorelevant media simulating the gastric and intestinal environment in the fasted and fed states. Additionally, the influence of high viscosity and high fat content on the release of zolpidem under fed state conditions was investigated. The in vitro results were combined with a physiologically based pharmacokinetic (PBPK) model constructed with Simcyp to simulate the zolpidem pharmacokinetic profile in both prandial states.
Key findings: In vitro biorelevant dissolution experiments representing the fasted and fed states, combined with PBPK modelling, were able to simulate the plasma profiles from the clinical food effect studies well. Experiments reflecting the pH and fat content of the meal led to a good prediction of the zolpidem plasma profile in the fed state, whereas increasing the viscosity of the gastric media led to an under-prediction.
Conclusions: This work demonstrates that the combination of biorelevant dissolution testing and PBPK modelling is very useful for understanding the in-vivo behavior of zolpidem in the fasted and fed states. This approach could be implemented in the development of other drugs exhibiting negative food effects, saving resources and bringing new drug products to the market faster.
We report here the in-cell NMR-spectroscopic observation of the binding of the cognate ligand 2′-deoxyguanosine to the aptamer domain of the bacterial 2′-deoxyguanosine-sensing riboswitch in eukaryotic cells, namely Xenopus laevis oocytes and in human HeLa cells. The riboswitch is sufficiently stable in both cell types to allow for detection of binding of the ligand to the riboswitch. Most importantly, we show that the binding mode established by in vitro characterization of this prokaryotic riboswitch is maintained in eukaryotic cellular environment. Our data also bring important methodological insights: Thus far, in-cell NMR studies on RNA in mammalian cells have been limited to investigations of short (<15 nt) RNA fragments that were extensively modified by protecting groups to limit their degradation in the intracellular space. Here, we show that the in-cell NMR setup can be adjusted for characterization of much larger (≈70 nt) functional and chemically non-modified RNA.
In vivo inducible reverse genetics in patients' tumors to identify individual therapeutic targets
(2021)
High-throughput sequencing describes multiple alterations in individual tumors, but their functional relevance is often unclear. Clinic-close, individualized molecular model systems are required for functional validation and to identify therapeutic targets of high significance for each patient. Here, we establish a Cre-ERT2-loxP (causes recombination, estrogen receptor mutant T2, locus of X-over P1) based inducible RNAi- (ribonucleic acid interference) mediated gene silencing system in patient-derived xenograft (PDX) models of acute leukemias in vivo. Mimicking anti-cancer therapy in patients, gene inhibition is initiated in mice harboring orthotopic tumors. In fluorochrome guided, competitive in vivo trials, silencing of the apoptosis regulator MCL1 (myeloid cell leukemia sequence 1) correlates to pharmacological MCL1 inhibition in patients´ tumors, demonstrating the ability of the method to detect therapeutic vulnerabilities. The technique identifies a major tumor-maintaining potency of the MLL-AF4 (mixed lineage leukemia, ALL1-fused gene from chromosome 4) fusion, restricted to samples carrying the translocation. DUX4 (double homeobox 4) plays an essential role in patients’ leukemias carrying the recently described DUX4-IGH (immunoglobulin heavy chain) translocation, while the downstream mediator DDIT4L (DNA-damage-inducible transcript 4 like) is identified as therapeutic vulnerability. By individualizing functional genomics in established tumors in vivo, our technique decisively complements the value chain of precision oncology. Being broadly applicable to tumors of all kinds, it will considerably reinforce personalizing anti-cancer treatment in the future.
In vitro release testing as an alternative to establishing bioequivalence of drug products in vivo
(2020)
Generische Arzneimittel werden als Arzneimittel definiert, die im Vergleich zu einem Referenzarzneimittel hinsichtlich der meisten pharmazeutischen Aspekte identisch sind.
Um die therapeutische Äquivalenz zum Referenzprodukt sicherzustellen, sind Bioverfügbarkeitsstudien erforderlich. Für Arzneimittel, die als feste, perorale, schnell freisetzende Darreichungsformen formuliert sind, kann auf den Nachweis der Bioäquivalenz in vivo zugunsten eines vergleichenden Freisetzungstests in vitro im Rahmen eines sogenannten Biopharmaceutics Classification System (BCS) basierten Biowaivers verzichtet werden.
Der BCS-basierte Biowaiver ist ein vielversprechendes Instrument, welches Kosteneinsparungen sowie eine Verringerung des regulatorischen Aufwands im Zuge der behördlichen Zulassung von Generika ermöglicht und dazu beitragen kann, die Zugänglichkeit unentbehrlicher Arzneimittel zu verbessern. Dabei gibt es jedoch auch Hürden, welche die weitläufige Anwendung des Verfahrens verhindern: Unklare Löslichkeits- und Permeabilitätsklassifizierungen von Wirkstoffen, Arzneimittel, welche die in vitro Freisetzungskriterien nicht erfüllen, sowie Zweifel an der Eignung der regulatorischen Spezifikationen, Freisetzungsunterschiede in vitro erfassen zu können, die für das Verhalten in vivo relevant sind.
In der vorliegenden Dissertation werden diese Probleme thematisiert, indem eine umfassende Bewertung der Anwendbarkeit und Einschränkungen des BCS-basierten Biowaivers in seinem aktuell regulatorisch vorgeschriebenen Ablauf vorgenommen wird. Mögliche Anpassungen des Verfahrens wurden auf der Grundlage experimenteller in vitro Daten untersucht, bewertet und mithilfe von in silico Simulationsmodellen auf die Situation in vivo extrapoliert.
The concept of using precipitation inhibitors (PIs) to sustain supersaturation is well established for amorphous formulations but less in the case of lipid-based formulations (LBF). This study applied a systematic in silico–in vitro–in vivo approach to assess the merits of incorporating PIs in supersaturated LBFs (sLBF) using the model drug venetoclax. sLBFs containing hydroxypropyl methylcellulose (HPMC), hydroxypropyl methylcellulose acetate succinate (HPMCAS), polyvinylpyrrolidone (PVP), PVP-co-vinyl acetate (PVP/VA), Pluronic F108, and Eudragit EPO were assessed in silico calculating a drug–excipient mixing enthalpy, in vitro using a PI solvent shift test, and finally, bioavailability was assessed in vivo in landrace pigs. The estimation of pure interaction enthalpies of the drug and the excipient was deemed useful in determining the most promising PIs for venetoclax. The sLBF alone (i.e., no PI present) displayed a high initial drug concentration in the aqueous phase during in vitro screening. sLBF with Pluronic F108 displayed the highest venetoclax concentration in the aqueous phase and sLBF with Eudragit EPO the lowest. In vivo, the sLBF alone showed the highest bioavailability of 26.3 ± 14.2%. Interestingly, a trend toward a decreasing bioavailability was observed for sLBF containing PIs, with PVP/VA being significantly lower compared to sLBF alone. In conclusion, the ability of a sLBF to generate supersaturated concentrations of venetoclax in vitro was translated into increased absorption in vivo. While in silico and in vitro PI screening suggested benefits in terms of prolonged supersaturation, the addition of a PI did not increase in vivo bioavailability. The findings of this study are of particular relevance to pre-clinical drug development, where the high in vivo exposure of venetoclax was achieved using a sLBF approach, and despite the perceived risk of drug precipitation from a sLBF, including a PI may not be merited in all cases.
The Corona pandemic has painfully taught us the threat of new pathogens in a globalized world and how vital modern vaccines are. Platform technologies play an important role in the discovery of new vaccines as reducing the time for the development dramatically — time that saves lives. Here, we present the protein Dodecin and how it may be utilized as a versatile platform technology to produce cheap and robust new vaccines for everyone in all parts of the world.
Age-related multifactorial diseases, such as the neurodegenerative Alzheimer’s disease (AD), still remain a challenge to today’s society. One mechanism associated with AD and aging in general is mitochondrial dysfunction (MD). Increasing MD is suggested to trigger other pathological processes commonly associated with neurodegenerative diseases. Silibinin A (SIL) is the main bioactive compound of the Silymarin extract from the Mediterranean plant Silybum marianum (L.) (GAERTN/Compositae). It is readily available as a herbal drug and well established in the treatment of liver diseases as a potent radical scavenger reducing lipid peroxidation and stabilize membrane properties. Recent data suggest that SIL might also act on neurological changes related to MD. PC12APPsw cells produce low levels of human Aβ and thus act as a cellular model of early AD showing changed mitochondrial function. We investigated whether SIL could affect mitochondrial function by measuring ATP, MMP, as well as respiration, mitochondrial mass, cellular ROS and lactate/pyruvate concentrations. Furthermore, we investigated its effects on the mitochondrial membrane parameters of swelling and fluidity in mitochondria isolated from the brains of mice. In PC12APPsw cells, SIL exhibits strong protective effects by rescuing MMP and ATP levels from SNP-induced mitochondrial damage and improving basal ATP levels. However, SIL did not affect mitochondrial respiration and mitochondrial content. SIL significantly reduced cellular ROS and pyruvate concentrations. Incubation of murine brain mitochondria with SIL significantly reduces Ca2+ induced swelling and improves membrane fluidity. Although OXPHOS activity was unaffected at this early stage of a developing mitochondrial dysfunction, SIL showed protective effects on MMP, ATP- after SNP-insult and ROS-levels in APPsw-transfected PC12 cells. Results from experiments with isolated mitochondria imply that positive effects possibly result from an interaction of SIL with mitochondrial membranes and/or its antioxidant activity. Thus, SIL might be a promising compound to improve cellular health when changes to mitochondrial function occur.
Impact of pectin dietary supplementation on experimental food allergy via gut microbiota modulation
(2023)
In recent years, dietary fibers gained focus in regard of their immune-modulatory effects and the potentially beneficial effect on allergies. The dietary fiber and prebiotic pectin is able to promote growth and activity of beneficial bacteria and thereby induce modulation of different immune responses. However, structurally different types of pectin might promote different immune-modulatory responses and to date the optimal pectin type for induction of beneficial health effects is not identified. Furthermore, it is still unclear, whether pectins provide a beneficial effect on certain allergies, such as food allergy.
Having this in consideration, this study examined the immune-modulatory effects of structurally different pectins on naive as well as peach allergic mice. Furhtermore, the impact of dietary pectin supplementation on composition and diversity of the murine gut microbiota was determined.
This study showed that dietary pectin intervention was able to suppress allergy-related Th2 responses considering humoral and cellular immune responses. Only apple-derived high-methoxyl pectin revealed an impact on total IgA levels and affected the microbial richness. Furthermore, it is not known whether the effects observed with the two pectins are caused by modulations of the bacterial composition or induced at least partly by direct interaction with the immune cells. Further studies are required to fully understand the mechanisms underlying the immune-modulatory capacities of different pectins.
Finally, the obtained results generated evidence that dietary pectin intervention can beneficially modulate the immune response in healthy mice and – at least partially – suppress allergy-related immune responses in a model of food allergy, depending on the structural characteristics of the used pectin.
Phenotypical screening is a widely used approach in drug discovery for the identification of small molecules with cellular activities. However, functional annotation of identified hits often poses a challenge. The development of small molecules with narrow or exclusive target selectivity such as chemical probes and chemogenomic (CG) libraries, greatly diminishes this challenge, but non-specific effects caused by compound toxicity or interference with basic cellular functions still pose a problem to associate phenotypic readouts with molecular targets. Hence, each compound should ideally be comprehensively characterized regarding its effects on general cell functions. Here, we report an optimized live-cell multiplexed assay that classifies cells based on nuclear morphology, presenting an excellent indicator for cellular responses such as early apoptosis and necrosis. This basic readout in combination with the detection of other general cell damaging activities of small molecules such as changes in cytoskeletal morphology, cell cycle and mitochondrial health provides a comprehensive time-dependent characterization of the effect of small molecules on cellular health in a single experiment. The developed high-content assay offers multi-dimensional comprehensive characterization that can be used to delineate generic effects regarding cell functions and cell viability, allowing an assessment of compound suitability for subsequent detailed phenotypic and mechanistic studies.
Der Hirntumor Glioblastom (GBM) ist aufgrund seines infiltrativen Wachstums, der hohen intra- und intertumoralen Heterogenität, der hohen Therapieresistenz als auch aufgrund der sogenannten gliomartigen Stammzellen sehr schwer zu behandeln und führt fast immer zu Rezidiven. Da es in den letzten Jahrzehnten kaum Fortschritte in der Behandlung des GBMs gab, bis auf die Therapie mit Tumortherapiefeldern, wird weiterhin nach alternativen Zelltodtherapien geforscht, wie zum Beispiel dem Autophagie-abhängigen Zelltod. Der Autophagie-abhängige Zelltod ist durch einen erhöhten autophagischen Flux gekennzeichnet und obwohl die Autophagie, als auch selektive Formen wie die Lysophagie und Mitophagie, normalerweise als überlebensfördernde Mechanismen gelten, konnten viele Studien eine duale Rolle in der Tumorentstehung, -progression und -behandlung aufzeigen, die vor allem vom Tumortyp und stadium abhängt. Um die zugrunde liegenden Mechanismen des durch Medikamente induzierten Autophagie-abhängigen Zelltods im GBM weiter zu entschlüsseln, habe ich in meiner Dissertation verschiedene Substanzen untersucht, die einen Autophagie-abhängigen Zelltod induzieren.
In einer zuvor in unserem Labor durchgeführten Studie konnte gezeigt werden, dass das Antipsychotikum Pimozid (PIMO) und der Opioidrezeptor-Antagonist Loperamid (LOP) einen Autophagie-abhängigen Zelltod in GBM Zellen induzieren können. Darauf aufbauend habe ich die Fähigkeit zur Induktion des Autophagie-abhängigen Zelltods in weiteren Zellmodellen validiert. Dies bestätigte einen erhöhten autophagischen Flux nach PIMO und LOP Behandlung, während der Zelltod als auch der autophagische Flux in Autophagie-defizienten Zellen reduziert war. In weiteren Versuchen konnte ich die Involvierung der LC3-assoziierten Phagozytose (LAP), ein Signalweg der auf die Funktion einiger autophagischer Proteine angewiesen ist, ausschließen. Weiterhin konnte ich eine massive Störung des Cholesterin- und Lipidstoffwechsels beobachten. Unter anderem akkumulierte Cholesterin in den Lysosomen gefolgt von massiven Schäden des lysosomalen Kompartiments und der Permeabiliserung der lysosomalen Membran. Dies trug einerseits zur Aktivierung überlebensfördernder Lysophagie als auch der Zell-schädigenden „Bulk“-Autophagie bei. Letztendlich konnte aber die erhöhte Lysophagie die Zellen nicht vor dem Zelltod retten und die Zellen starben einen Autophagie-abhängigen lysosomalen Zelltod. Da die Eignung von LOP als Therapie für das GBM aufgrund der fehlenden Blut-Hirn-Schranken Permeabilität und von dem Antipsychotikum PIMO aufgrund teils schwerer Nebenwirkungen eingeschränkt ist, habe ich mich im weiteren Verlauf meiner Dissertation mit einer Substanz mit einem anderen Wirkmechanismus beschäftigt.
Der Eisenchelator und oxidative Phosphorylierungs (OXPHOS) Inhibitor VLX600 wurde zuvor berichtet mitochondriale Dysfunktion und Zelltod in Kolonkarzinomzellen zu induzieren. Allerdings hat meines Wissens nach bisher noch keine Studie die therapeutische Eignung von VLX600 für das GBM untersucht. Hier zeige ich eine neuartige Autophagie-abhängige Zelltod-induzierende Fähigkeit von VLX600 für GBM Zellen, da der Zelltod signifikant in Autophagie-defizienten Zellen aber nicht durch Caspase-Inhibitoren gehemmt wurde und der autophagische Flux erhöht war. Darüber hinaus konnte ich die Hemmung der OXPHOS und die Induktion von mitochondrialem Stress in GBM Zellen bestätigen und weiterhin aufzeigen, dass VLX600 nicht nur die mitochondriale Homöostase stört, sondern auch zu einer BNIP3-BNIP3L-abhängigen Mitophagie führt, die wahrscheinlich durch HIF1A reguliert wird aber keinen erkennbaren Nettoeffekt auf den von VLX600 induzierten Zelltod hat. Demnach induziert VLX600 letale „Bulk“-Autophagie in den hier verwendeten Zellmodellen. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass die Eisenchelatierung durch VLX600 eine große Rolle für den von VLX600-induzierten Zelltod spielt aber auch für die Mitophagie Induktion, Histon Lysin Methylierung und den ribosomalen Stress. Letztendlich ist es wahrscheinlich ein Zusammenspiel all dieser Faktoren, die zur Zelltodinduktion durch VLX600 führen und interessanterweise werden Eisenchelatoren bereits in präklinischen und klinischen Studien für Krebstherapien untersucht. Dabei könnten gewisse metabolische Eigenschaften verschiedener Tumorzellen die Sensitivität von Wirkstoffen, die auf den Metabolismus wirken wie VLX600, beeinflussen was in zukünftigen Studien beachtet werden sollte um den bestmöglichsten Therapieerfolg zu erzielen. Zusammenfassend unterstützt meine Dissertation die duale Rolle der Autophagie, die stark vom jeweiligen Kontext abhängt und befürwortet die weitere Forschung von Substanzen, die einen Autophagie-abhängigen Zelltod induzieren, für das GBM.
Der retinoid-related orphan receptor α (RORα) ist ein nukleärer Rezeptor, der nach Bindung an sein Responselement die Transkription zahlreicher Gene reguliert. Pharmazeutisches Interesse erlangt der Rezeptor vor allem durch seine Verwicklung in pathophysiologische Prozesse wie Osteoporose und Arteriosklerose sowie durch seine antiinflammatorische Wirkung, die auf der negativen Interferenz mit dem NF-κB-Signalweg beruht. Bisher konnten vier RORα-Isoformen isoliert werden, die durch alternatives Spleißen sowie durch die Regulation über unterschiedliche Promotorregionen entstehen. In verschiedenen Studien konnte eine isoformspezifische Regulation als Antwort auf pathophysiologische Veränderungen der Zellen festgestellt werden, wie beispielsweise die Induktion der RORα4-Transkription in Leberzellen infolge einer Sauerstoffunterversorgung. Um Einblicke in die Mechanismen zu gewinnen, die der spezifischen Regulation der RORα4-Expression zugrunde liegen, wurde in der vorliegenden Arbeit der RORα4-Promotor als erster Promotor einer RORα-Isoform identifiziert und analysiert.
Sechs Fragmente mit einer Länge von bis zu 5,1 kbp der aus Datenbanken entnommenen, putativen Promotorsequenz wurden in einen Reportergenvektor kloniert. Transiente Transfektionsexperimente und Reportergenanalysen deckten die Promotoraktivität der gewählten Sequenz auf.
In dem durch einen hohen Gehalt an den Nukleotiden G und C auffallenden Promotor wurden drei einzelne GC-Boxen (A, B und C) sowie eine Viererkette (Box D) und eine Tandem-GCBox (Box E) als mögliche Bindungsmotive für Sp-Transkriptionsfaktoren gefunden. Mithilfe von Kotransfektionen konnte eine Induktion der Promotoraktivität durch die Transkriptionsfaktoren Sp1 und Sp4 nachgewiesen werden, während Sp3 die Promotoraktivität in diesen Experimenten nicht beeinflusste.
Durch die gezielte Mutation oder Deletion, bzw. die Inkubation mit verschiedenen Substanzen konnten diesen GC-Boxen unterschiedliche Funktionen zugeordnet werden. Durch transiente Transfektionen stark verkürzter Promotorfragmente wurde ein für die Promotoraktivität nötiger Sequenzbereich von 170 Basenpaaren eingegrenzt. In Mutationsanalysen wurde demonstriert, dass die beiden proximalen GC-Boxen A und B für die basale Promotoraktivität essentiell sind.
Die RORα4-Promotoraktivität ließ sich zelltypabhängig durch den Phorbolester TPA induzieren. In Deletionsanalysen ließ sich dieser Effekt teilweise auf die GC-Boxen C und D zurückführen. Der distalen GC-Box E konnte ebenfalls eine Funktion zugeordnet werden. In Reportergenanalysen konnte demonstriert werden, dass sie die Induktion der Promotoraktivität durch den HDAC-Inhibitor Trichostatin A vermittelt.
Durch die Untersuchungen an den TK-luc-Konstrukten mit RORα-Responselementen konnte gezeigt werden, dass der virale Promotor aufgrund der einklonierten RORα-Responselemente sehr stark auf die Kotransfektion der RORα-Isoformen reagiert. Die Reportergenanalyse mit diesen Konstrukten stellt daher eine effiziente Methode dar, um die RORα-vermittelte Transaktivierung zu bestimmen.
Obwohl der RORα4-Promotor zahlreiche RORα-Responselemente trägt, konnte in den Kotransfektionen mit Expressionsplasmiden für die einzelnen Isoformen in keiner der drei Zelllinien eine Autoregulation gefunden werden. Ebensowenig zeigte sich ein Einfluss des putativen RORα-Liganden Melatonin auf die Promotoraktivität.
Des Weiteren wurde gezeigt, dass die RORα4-Promotoraktivität in HeLa und MCF-7-Zellen durch das cAMP-Analogon DbcAMP induzierbar ist, während in HEK 293 keine Beeinflussung der Promotoraktivität erzielt wurde. Neben der Steigerung der Promotoraktivität durch TPA, konnte mit der DbcAMP-Induktion folglich ein zweiter, zelltypabhängiger Effekt auf die RORα4-Promotoraktivität identifiziert werden.
Identifizierung potenzieller Taspase1 Inhibitoren für die Behandlung von t(4,11) akuter Leukämie
(2022)
Leukämie ist die häufigste bösartige Krebserkrankung im Kindes- und Jugendalter. Bei einem Kind von 1120 Kindern wird Leukämie diagnostiziert, dabei trifft diese Diagnose Jungen 30 % häufiger als Mädchen. Die Krankheitssymptome treten bei den Kindern noch vor dem Schulalter auf und am häufigsten haben die Kinder mit der akuten Form zu kämpfen. Bei einer Diagnose mit einer akuten lymphatischen Leukämie (ALL) haben die Kinder meist eine gute Prognose, während bei der akuten myeloischen Leukämie (AML) eine deutlich schlechtere.1
Die t(4;11)(q21;q23) Translokation ist aufgrund ihres häufigen Auftretens und der damit schlechten verbundenen Prognose eines der bekanntesten strukturellen Chromosomen-anomalien bei akuten Leukämien. Diese Translokation wurde das erste Mal 1977 von Oshimura et al. beschrieben.2 Bei einer t(4;11)-Translokation ist das Chromosom 4 und das Chromosom 11 involviert. Auf Chromosom 4 ist das AF4-Gen lokalisiert (AFF1) und auf dem Chromosom 11 liegt das MLL-Gen (ALL-1, HRX, hTRX, KMT2A).
Taspase1 wurde als ein proteolytisch prozessierendes Enzym identifiziert, das sich in Wirbellosen und Vertebraten zusammen mit Mitgliedern der Trithorax/MLL/KMT2A-Protein¬familie koevolviert hat. Taspase1 prozessiert nicht nur das MLL und MLL2, deren Fusions¬proteine AF4-MLL, sondern auch den Transkriptionsfaktor IIA (TFIIA) sowohl in vitro als auch in vivo.3
Die Dimerisierung von Taspase1 löst eine intrinsische Serinproteasefunktion aus, die zum katalytischen Rest Thr234 führt, der die Konsensussequenz Q-3X-2D-1•G1X2D3D4 katalysiert, die in Mitgliedern der MLL-Familie sowie im Transkriptionsfaktor TFIIA vorhanden ist. Taspase1 ist kein klassisches Enzym, da es seine Zielproteine stöchiometrisch hydrolysiert. Diese Eigenschaft macht es nahezu unmöglich, in einem klassischen Screening-Setup nach potenziellen Inhibitoren zu screenen.
In dieser Arbeit wurde ein Homogeneous time-resolved fluorescence HTRF-Reporter-Assays etabliert. Das etablierte Testsystem ermöglicht erstmalig die Untersuchung von Substanzen zusammen mit Taspase1 Monomere, die in einem zellfreien System (cfs) hergestellt wurden. Durch die Expression non monomeren Taspase1 Proteinen sollten Inhibitoren durch das etablierte Screening-Verfahren gefunden werden, die sowohl (1) Dimerisierung, (2) Autoaktivierung oder (3) Substratbindung selektiv blockieren können. Die durchgeführten Experimente führten zur Identifikation eines ersten Taspase1-Inhibitors, Closantel sodium. Closantel sodium ist ein U.S. Food and Drug Administration (FDA) zugelassenes Medikament, das Taspase1 auf nicht-kovalente Weise bindet. Die erzielten Daten zeigen, dass Closantel sodium den Dimerisierungsschritt und/oder die intrinsische Serinproteasefunktion blockiert. Closantel sodium hemmte die Spaltung des eingesetzten CS2-Substratproteins mit einem IC50 zwischen 1,6 und 3,9 µM, je nachdem, welches Taspase1-Präparat in dem HTRF Screening Assay ver¬wendeten (cfs- oder E.coli-produziert). Die Daten weisen darauf hin, dass Closantel sodium als allosterischer Inhibitor gegen die Taspase1 fungiert. Taspase1 wird zur Aktivierung der AF4-MLL-Onkofusionsproteine benötigt und wird auch in mehreren soliden Tumoren überexprimiert. Daher könnte dieser neue Inhibitor für die weitere Validierung von Taspase1 als Ziel für die Krebstherapie und für das Design potenterer Liganden für zukünftige klinische Anwendungen nützlich sein.
Infections with the hepatitis B virus (HBV) or the hepatitis C virus (HCV) lead to complications like the development of cirrhosis or hepatocellular carcinoma. These complications end up in 887,000 and 500,000 deaths per year, respectively. Since the development of new direct acting antiviral agents for HCV in the past years a complete cure of an HCV infection can be achieved in the majority of the patients. In contrast, a complete cure of a chronic HBV infection still remains a challenging problem as current treatment regimens mainly suppress the viral replication and cccDNA as well as integrated DNA still persist in these patients. Several viral and host factors were described to impair the efficacy of treatment regimens or influence the course of the infection. Therefore, in this work viral factors as well as host factors were investigated in HBeAg negative chronic HBV infected patients and in chronic HCV infected patients. In the present study, it was demonstrated that mutations and/or deletions in the HBV basal core promoter (BCP), the precore and the preS domain occur in a genotype-specifc pattern in HBeAg negative HBV infected patients. While the BCP double mutation A1762T/G1764A was found with the highest prevalence in genotype E infected patients, the precore mutation G1896A occurred mostly in genotype B infected patients. Variants in the preS domain could be detected with the highest frequency in patients infected with genotype C. In patients, who had to start an antiviral therapy during the course of the disease, mutations in the precore region could be detected with a higher frequency in the samples right before treatment start in comparison to the baseline sample.
While different HBV genotypes and preS mutations were not associated with HBV-DNA serum levels, precore mutations as well as BCP mutations were significantly associated with HBV-DNA levels. Furthermore, precore mutations showed lower and preS mutations higher HBsAg levels. The HBsAg serum levels varied significantly among the different genotypes. Since HBsAg levels < 1000 IU/ml have been described as a prognostic marker in several studies, the prevalence of patients with HBsAg < 1000 IU/ml was analyzed among the genotypes A - E. While most of the patients infected with HBV genotype B had HBsAg < 1000 IU/ml, only a few patients infected HBV genotype E and A had HBsAg < 1000 IU/ml.
Furthermore, HBV genotype A genomes derived from patients harboring a) A1762T/ G1764A (BCP), b) G1896A/G1899A (precore), c) 15 aa deletion in preS1, d) no mutation (reference genome) were cloned and analyzed in vitro. An enhanced expression but reduced secretion of viral genomes was found in the preS-deletion- and the precore-variant. No differences in the HBsAg production and secretion were observed in the cloned precore- or BCP-variant, while the preS-deletion-variant was characterized with an elevated HBsAg release.
Regarding the secretion of viral and subviral particles, a genotype-specifc pattern of the L/M/SHBs ratio was detected in the serum of patients infected with genotypes A - E. This pattern did not change in the serum of patients, who started antiviral treatment. Secreted HBsAg containing particles displayed a higher density as well as a higher filaments/spheres ratio in genotypes B and D compared to genotypes A, C and E. Population-based and deep sequencing revealed large deletions in the preS domain or preS2 start codon mutations in a certain number of the viral genomes. Theoretically, these mutations/deletions should influence the molecular weight of the expressed protein or abolish the expression of the protein at all. In contrast, LHBs/MHBs were detectable and appeared at the same molecular weight in these patient samples in comparison to patient samples without these mutations. Furthermore, in the in vitro analyses comparing the reference genome and the preS1-deletion genome, it was shown that the deletion indeed influenced the molecular weight of LHBs. Therefore, HBsAg might be expressed from a genetically different source than the released viral genomes, meaning the integrated DNA.
Additionally, in the present study the prevalence of resistance associated substitutions (RASs) in the viral genes NS3, NS5A and NS5B of chronic HCV infected patients was analyzed in correlation to single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the interferon-λ4 (IFNL4) gene of the infected patients. No significant correlation was found between IFNL4 SNPs and RASs within NS3/NS5B in the present cohort. In contrast, the frequently detected NS5A RAS Y93H could be significantly associated with beneficial IFNL4 SNPs and a high baseline viral load in HCV genotype 1-infected patients.
Taken together, the present study demonstrated that viral genome mutations as well as the morphology of secreted particles occur in a genotype-dependent pattern in HBeAg negative HBV infected patients with no need of antiviral therapy. As the amount of serum qHBsAg levels varied among the different genotypes, the HBsAg cut-off < 1000 IU/ml should be adapted individually among the various genotypes. Because the composition of the secreted subviral particles varied between the different genotypes, a genotype-specific immune-response might be induced in these patients. Additionally, the results of the present study indicate that in HBeAg negative HBV infected patients with mutations or deletions in the preS domain MHBs and LHBs might be expressed from the integrated DNA and therefore from a genetically different source than the released viral genomes.
Aside from that, the finding of a significant association of the NS5A RAS Y93H with beneficial IFNL4 SNPs in chronic HCV infected patients may explain a lack of a correlation or an inverse correlation of treatment response with the IFNL4 genotype in some NS5A inhibitor-containing IFN-free regimens.
Macroautophagy, herein referred to as autophagy, is an evolutionarily conserved homeostatic process that normally occurs inside eukaryotic cells which involves degradation of cytoplasmic substances via lysosomes. It can be induced by various conditions such as starvation and drug exposure, as well as be inhibited by numerous compounds. Under normal conditions, the doublemembrane autophagosomes engulf the cytosolic substrates and deliver them to lysosomes for digestion. These substrates include unnecessary or dysfunctional cell components, such as faulty macromolecules, organelles and even invading pathogens. Autophagosomes are formed through the co-operative work of various autophagy-related (ATG) proteins organized into complexes. Upon closure of the autophagosomes, they fuse with the acidic lysosomes, resulting in formation of autolysosomes and the delivery of lysosomal hydrolases to degrade the engulfed contents. The fusion of the autophagosome with lysosome is carried out by specific SNARE proteins, small GTPases and their effectors including tethers, adaptors and motor proteins. Autophagy is impaired in many human diseases including cancer, neurodegenerative diseases, aging and inflammation. Therefore, manipulation of autophagy pathway holds a great promise for new therapeutic applications ...
Hypoxia potentiates palmitate-induced pro-inflammatory activation of primary human macrophages
(2015)
Pro-inflammatory cytokines secreted by adipose tissue macrophages (ATMs) contribute to chronic low-grade inflammation and obesity-induced insulin resistance. Recent studies have shown that adipose tissue hypoxia promotes an inflammatory phenotype in ATMs. However, our understanding of how hypoxia modulates the response of ATMs to free fatty acids within obese adipose tissue is limited. We examined the effects of hypoxia (1% O2) on the pro-inflammatory responses of human monocyte-derived macrophages to the saturated fatty acid palmitate. Compared with normoxia, hypoxia significantly increased palmitate-induced mRNA expression and protein secretion of IL-6 and IL-1β. Although palmitate-induced endoplasmic reticulum stress and nuclear factor κB pathway activation were not enhanced by hypoxia, hypoxia increased the activation of JNK and p38 mitogen-activated protein kinase signaling in palmitate-treated cells. Inhibition of JNK blocked the hypoxic induction of pro-inflammatory cytokine expression, whereas knockdown of hypoxia-induced transcription factors HIF-1α and HIF-2α alone or in combination failed to reduce IL-6 and only modestly reduced IL-1β gene expression in palmitate-treated hypoxic macrophages. Enhanced pro-inflammatory cytokine production and JNK activity under hypoxia were prevented by inhibiting reactive oxygen species generation. In addition, silencing of dual-specificity phosphatase 16 increased normoxic levels of IL-6 and IL-1β and reduced the hypoxic potentiation in palmitate-treated macrophages. The secretome of hypoxic palmitate-treated macrophages promoted IL-6 and macrophage chemoattractant protein 1 expression in primary human adipocytes, which was sensitive to macrophage JNK inhibition. Our results reveal that the coexistence of hypoxia along with free fatty acids exacerbates macrophage-mediated inflammation.
The prevention of tau protein aggregations is a therapeutic goal for the treatment of Alzheimer's disease (AD), and hydromethylthionine (HMT) (also known as leucomethylthioninium-mesylate [LMTM]), is a potent inhibitor of tau aggregation in vitro and in vivo. In two Phase 3 clinical trials in AD, HMT had greater pharmacological activity on clinical endpoints in patients not receiving approved symptomatic treatments for AD (acetylcholinesterase (AChE) inhibitors and/or memantine) despite different mechanisms of action. To investigate this drug interaction in an animal model, we used tau-transgenic L1 and wild-type NMRI mice treated with rivastigmine or memantine prior to adding HMT, and measured changes in hippocampal acetylcholine (ACh) by microdialysis. HMT given alone doubled hippocampal ACh levels in both mouse lines and increased stimulated ACh release induced by exploration of the open field or by infusion of scopolamine. Rivastigmine increased ACh release in both mouse lines, whereas memantine was more active in tau-transgenic L1 mice. Importantly, our study revealed a negative interaction between HMT and symptomatic AD drugs: the HMT effect was completely eliminated in mice that had been pre-treated with either rivastigmine or memantine. Rivastigmine was found to inhibit AChE, whereas HMT and memantine had no effects on AChE or on choline acetyltransferase (ChAT). The interactions observed in this study demonstrate that HMT enhances cholinergic activity in mouse brain by a mechanism of action unrelated to AChE inhibition. Our findings establish that the drug interaction that was first observed clinically has a neuropharmacological basis and is not restricted to animals with tau aggregation pathology. Given the importance of the cholinergic system for memory function, the potential for commonly used AD drugs to interfere with the treatment effects of disease-modifying drugs needs to be taken into account in the design of clinical trials.
Human 5-lipoxygenase (5-LO) is the key enzyme of leukotriene biosynthesis, mostly expressed in leukocytes and thus a crucial component of the innate immune system.
In this study, we show that 5-LO, besides its canonical function as an arachidonic acid metabolizing enzyme, is a regulator of gene expression associated with euchromatin. By Crispr-Cas9-mediated 5-LO knockout (KO) in MonoMac6 (MM6) cells and subsequent RNA-Seq analysis, we identified 5-LO regulated genes which could be clustered to immune/defense response, cell adhesion, transcription and growth/developmental processes. Analysis of differentially expressed genes identified cyclooxygenase-2 (COX2, PTGS2) and kynureninase (KYNU) as strongly regulated 5-LO target genes. 5-LO knockout affected MM6 cell adhesion and tryptophan metabolism via inhibition of the degradation of the immunoregulator kynurenine. By subsequent FAIRE-Seq and 5-LO ChIP-Seq analyses, we found an association of 5-LO with euchromatin, with prominent 5-LO binding to promoter regions in actively transcribed genes. By enrichment analysis of the ChIP-Seq results, we identified potential 5-LO interaction partners. Furthermore, 5-LO ChIP-Seq peaks resemble patterns of H3K27ac histone marks, suggesting that 5-LO recruitment mainly takes place at acetylated histones.>
In summary, we demonstrate a noncanonical function of 5-LO as transcriptional regulator in monocytic cells.
Chromosomal translocations (CTs) are a genetic hallmark of cancer. They could be identified as recurrent genetic aberrations in hemato-malignancies and solid tumors. More than 40% of all “cancer genes” were identified in recurrent CTs. Most of these CTs result in the production of oncofusion proteins of which many have been studied over the past decades. They influence signaling pathways and/or alter gene expression. However, a precise mechanism for how these CTs arise and occur in a nearly identical fashion in individuals remains to be elucidated. Here, we performed experiments that explain the onset of CTs: (1) proximity of genes able to produce prematurely terminated transcripts, which lead to the production of (2) trans-spliced fusion RNAs, and finally, the induction of (3) DNA double-strand breaks which are subsequently repaired via EJ repair pathways. Under these conditions, balanced chromosomal translocations could be specifically induced. The implications of these findings will be discussed.
Biological membranes are complex and dynamic assemblies of lipids and proteins. Poikilothermic organisms including bacteria, fungi, reptiles, and fish do not control their body temperature and must adapt their membrane lipid composition in order to maintain membrane fluidity in the cold. This adaptive response was termed homeoviscous adaptation and has been frequently studied with a specific focus on the acyl chain composition of membrane lipids. Mass spectrometry-based lipidomics can nowadays provide more comprehensive insights into the complexity of lipid remodeling during adaptive responses. Eukaryotic cells compartmentalize biochemical processes in organelles with characteristic surface properties, and the lipid composition of organelle membranes must be tightly controlled in order to maintain organelle function and identity during adaptive responses. Some highly differentiated cells such as neurons maintain unique lipid compositions with specific physicochemical properties. To date little is known about the sensory mechanisms regulating the acyl chain profile in such specialized cells or during adaptive responses. Here we summarize our current understanding of lipid metabolic networks with a specific focus on the role of physicochemical membrane properties for the regulation of the acyl chain profile during homeoviscous adaptation. By comparing the mechanisms of the bacterial membrane sensors with the prototypical eukaryotic lipid packing sensor Mga2 from Saccharomyces cerevisiae, we identify common operational principles that might guide our search for novel membrane sensors in different organelles, organisms, and highly specialized cells.
Mitochondrial NADH:ubiquinone oxidoreductase (complex I) is a 1-MDa membrane protein complex with a central role in energy metabolism. Redox-driven proton translocation by complex I contributes substantially to the proton motive force that drives ATP synthase. Several structures of complex I from bacteria and mitochondria have been determined, but its catalytic mechanism has remained controversial. We here present the cryo-EM structure of complex I from Yarrowia lipolytica at 2.1-Å resolution, which reveals the positions of more than 1600 protein-bound water molecules, of which ~100 are located in putative proton translocation pathways. Another structure of the same complex under steady-state activity conditions at 3.4-Å resolution indicates conformational transitions that we associate with proton injection into the central hydrophilic axis. By combining high-resolution structural data with site-directed mutagenesis and large-scale molecular dynamic simulations, we define details of the proton translocation pathways and offer insights into the redox-coupled proton pumping mechanism of complex I.
The specific and precise arrangement of proteins and biomolecules in 3D is an important prerequisite for the study of cell migration, cellular signal transduction and the production of artificial tissue. In a variety of research approaches, proteins have been immobilized on rigid surfaces such as glass or gold to observe protein-protein or protein-cell interactions. While these commonly used analytical platforms offer advantages such as rapid washing steps and easy use, due to their rigidity and two-dimensionality, they cannot replicate the extracellular matrix (ECM) the native environment of cells. This severe deviation from the natural environment results in significant changes in cell structure and cellular processes such as the polarization of the cell, its morphology, and signal transduction. In order to maintain the functionality of the immobilized proteins, it is also enormously important that the proteins are oriented and anchored in the material under mild conditions.
An immobilization strategy that makes this possible is bioaffinity. For this, the specific interaction of a biomolecule with an interaction partner anchored on a surface is used to immobilize the biomolecule. Such an interaction is for example the nitrilotriacetic acid (NTA)/His-tag binding. NTA is a chelator molecule that, when bound to divalent metal ions such as Ni(II), forms an octahedral complex with oligohistidines. The oligo histidine-tag can be competed out of the complex by free histidine or imidazole due to structural similarity. This is exploited in immobilized metal affinity chromatography (IMAC). The binding of a monoNTA/His-tag complex (KD=10 µM) is not stable enough to be used for immobilizations. Therefore, multivalent variants of the chelator were developed, like trisNTA which has a high affinity for His6 tagged proteins (KD= 10 nM). The PA-trisNTA developed in a preliminary work was the first light-activatable system based on the trisNTA chelator head.
The aim of this work was to synthesize a new two-photon (2P) activatable trisNTA (TPA trisNTA) interaction molecule, to analyze its photophysical characteristics and to apply it for two- and three dimensional (2D/3D) biomolecule patterning. The final goal was to use TPA trisNTA for cellular applications in order to manipulate membrane protein organization. Therefore, TPA trisNTA was designed to maintain a stable autoinhibition enabling the immobilization of proteins under physiological conditions with high precision in the x/y, as well as z dimension only upon light activation. 2P activation brings some outstanding advantages: i) the use of near-infrared (NIR) light is less harmful to cells compared to ultraviolet (UV) light, ii) the longer wavelength allows the radiation to penetrate deeper into tissues, iii) the precision of focal irradiation is more accurate because only a focal volume (about 1 fL) is excited and, unlike UV light, scattered light does not lead to activation.
Several backbones for TPA-trisNTA were considered as 2P cleavable groups due to their 2P absorption ability and small size: 3 nitrodibenzofuran (NDBF), 6 bromo 7 hydroxycoumarin (Bhc), and 7 diethylaminocoumarin (DEAC). Initially, suitable synthetic routes were developed for the respective carbaldehydes, since these represented an important intermediate for both the construction of amino acid (aa) derivatives as well as ß hydroxy acids. ß Hydroxy acids were important intermediates because their photocleavage differs from aa derivatives. To establish the conversion from carbaldehydes to hydroxy acids via Reformatsky reaction, commercially available carbaldehydes of the nitroveratral (NV) or nitropiperonal (NP) group were used in addition. The conversion of NDBF, NV, NP proved to be difficult, whereas the ß-hydroxy acid was successfully synthesized from Bhc as well as from DEAC.
Starting from DEAC ß hydroxy acid, a Fmoc protected amino acid derivative was synthesized. To ensure high cleavage efficiency, the DEAC ß hydroxy acid was linked to monoFmoc ethylenediamine through a carbamate linker. Subsequently, the photocleavable group was successfully incorporated into the linker of TPA-trisNTA by solid-phase peptide synthesis (SPPS).
The functional principle of TPA-trisNTA, similar to PA-trisNTA, is based on the autoinhibition of the multivalent chelator head trisNTA, which is linked to an intramolecular oligohistidine sequence by a peptide linker. In presence of Ni(II) ions, trisNTA forms a metal ion-mediated complex with histidine, causing TPA-trisNTA to self-inactivate. The cleavage site is the DEAC based photocleavable amino acid. In contrast to PA-trisNTA, the incorporation of two photocleavable amino acids was omitted. Instead, only one photocleavable DEAC was incorporated in front of the His tag. To avoid a second DEAC group within the His tag, a His5 tag was used instead of an His6 tag. It is known from preliminary work that a His5 tag is sufficient to maintain autoinhibition in the presence of His6-tagged proteins of interest (POIs), but can be displaced from the complex after light-driven cleavage of the peptide backbone. Placement of a cysteine in the peptide linker between the trisNTA and the DEAC group allowed for permanent surface anchoring after photocleavage of the linker.
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G-protein-coupled receptors (GPCRs) from the largest family of receptors in the human body. They contain seven transmembrane helices. There are roughly 800-900 GPCR genes expressed in humans encoded by 4-5% of the human genome. These receptors are the most important signal transducers and play a crucial role in cell physiology and pathology, by using various extracellular stimuli to start complex intracellular signaling. GPCRs interact with a wide variety of stimuli from small molecules (photons, ions, amines) to large molecules (peptides, small proteins), and trigger downstream cascade effects by interacting with G-proteins, GPCR kinases, and ß-arrestin. Because of their crucial roles in many cellular functions, GPCRs are the most important drug targets for the pharmaceutical industry. Approximately 30% of the clinically approved drugs available in the market are against GPCRs. In this work achieved successful expression and purification of GPCRs from class-C and class-A families. Combined with biochemical experiments, DNP-ssNMR, and molecular simulation helped to decipher the mechanism of crosstalk between the allosteric modulator, and the orthosteric binding sites of the peptide receptor. The main findings and major highlights of this dissertation are outlined in the following paragraphs.
The calcium-sensing receptor (CaSR) belongs to the GPCR class-C family and contains a large extracellular domain. This receptor regulates Ca2+ homeostasis in blood and its absorption in the kidney and bone. To understand the molecular and structural mechanisms of these receptors their cDNAs were cloned into the pPICZ and pOET1 vectors to express them in Pichia pastoris and in Sf9 insect cells respectively. The CaSR was successfully expressed heterologously in Pichia pastoris and in the insect cell with high yield. The purified receptor purified in LMNG shows no aggregation in a monomeric state. Further optimization was performed to use it for cryo-EM sample preparation and structure determination. In 2nd part of the thesis, different mini G (mini Gs, mini Gi, mini Gqs, and mini Gsi) DNA constructs were made and expressed in E. coli. It's challenging to obtain active GPCR structures due to the instability of G-protein or G-protein-bound receptors. In this work, all mini-G proteins and chimera mini-G-protein-maltose binding protein (MBP) were cloned and expressed in E. coli and purified with a His-trap column with high purity.
In the last part of the thesis, to decipher the mechanism of allosteric modulation of orthosteric binding sites in the bradykinin receptor was produced and characterized in insect cells. Angiotensin I converting enzyme inhibitors (ACEIs), are very important drugs and are widely used for the treatment of hypertension, congestive heart failure, and diabetic neuropathy. These drugs target primarily the catalytic zinc center of the ACE. It has been shown that enalaprilat, a well-known ACEI, binds to a proposed zinc-binding site on hB1R and even directly activates the receptor. To obtain information on the influence of ACEIs on the receptor-peptide complex, and to have a better understanding of the molecular mechanism and structural plasticity of the bradykinin receptor and PAM, we used the three commercially available ACEIs captopril, enalaprilat, and lisinopril for our studies. An important result of this thesis is that though enalaprilat, captopril, and lisinopril all have similar functional properties in humans, each one regulates the orthosteric binding site of hB1R in a unique way. These findings provide atomic insights into the allosteric modulation of the bradykinin receptor. This study along with the effects of ACEI on the binding sites of receptors also deciphers the effects of the Zn2+ as well as the crosstalk between zinc binding sites and ACEI compounds. The binding of allosteric modulators induces distinct endogenous binding, which might aid in creating new possibilities in the pharmaceutical field.
Der Fokus der Arbeit liegt auf der Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Molekülen in selbst-anordnenden Monolagen (SAMs) auf Goldoberflächen mittels Rastertunnelmikroskopie und komplementären Methoden wie z.B. Infrarot-Reflektions-Absorptions-Spektro-skopie.
In dieser Arbeit wurde das kürzlich etablierte Konzept von eingebetteten Dipolmomenten in aromatischen, SAM-bildenden Molekülen eingehender untersucht. Das Ausmaß des Dipol-moments und die Größe der SAM-bildenden Moleküle wurden synthetisch variiert und der Einfluss auf die Struktur und elektronischen Eigenschaften der SAMs untersucht. Binäre, gemischte Monolagen aus SAM-bildenden Molekülen mit "entgegen gerichteten", Dipolmomenten wurden hergestellt und charakterisiert. Zur Herstellung der binären, gemischten Monolagen wurden zwei Methoden verwendet: die Monolagen wurden a) aus bereits gemischten Lösungen der Moleküle abgeschieden oder b) eine reine SAM in die Lösung des anderen Moleküls eingelegt, so dass ein Austausch stattfand. Der Vergleich der beiden Methoden ermöglicht Rückschlüsse über die Abscheidungsprozesse. Die Charakterisierung der SAMs dieser Mischungsreihen gab Aufschluss über Eigenschaften wie Packungsdichte, Austrittsarbeit, elektronischen Ladungstransport in Monolagen und Orientierung der Moleküle relativ zur Oberfläche und erlaubte Schlussfolgerungen über die Mischbarkeit und das Ausmaß der Dipolwechselwirkungen der Moleküle in der Monolage. In einem ähnlichen Ansatz zu dem oben beschriebenen Vorgehen wurden Quadrupolwechselwirkungen zwischen SAM-bildenen, Benzol-, Naphtalin- und Anthracenderivaten untersucht. In Mischungsreihen wurden SAMs von nicht- und teilweise (hoch)fluorierten, SAM-bildenden Molekülen auf Goldoberflächen charakterisiert. Die Ergebnisse der Untersuchungen können bei der gezielten Einstellung der elektronischen Eigenschaften in elektronischen Bauteilen wie OFETs Anwendung finden.
In einem weiteren Projekt wurde der Einfluss von polaren Endgruppen auf die in situ Abspaltung von Schutzgruppen an Terphenylthiol-Derivaten untersucht, wobei die Ergebnisse zum Aufbau größerer, aus organischer Elektronik bestehender, Netzwerke verwendet werden können.
Herpes simplex virus type 1 (HSV-1) is a widespread neurotropic virus. Primary infection of HSV-1 in facial epithelium leads to retrograde axonal transport to the central nervous system (CNS) where it establishes latency. Under stressful conditions, the virus reactivates, and new progeny are transported anterogradely to the primary site of infection. During the late stages of neuronal infection, axonal damage can occur, however, the impact of HSV-1 infection on the morphology and functional integrity of neuronal dendrites during the early stages of infection is unknown. We previously demonstrated that acute HSV-1 infection in neuronal cell lines selectively enhances Arc protein expression - a major regulator of long-term synaptic plasticity and memory consolidation, known for being a protein-interaction hub in the postsynaptic dendritic compartment. Thus, HSV-1 induced Arc expression may alter the functionality of infected neurons and negatively impact dendritic spine dynamics. In this study we demonstrated that HSV-1 infection induces structural disassembly and functional deregulation in cultured cortical neurons, an altered glutamate response, Arc accumulation within the somata, and decreased expression of spine scaffolding-like proteins such as PSD-95, Drebrin and CaMKIIβ. However, whether these alterations are specific to the HSV-1 infection mechanism or reflect a secondary neurodegenerative process remains to be determined.
In dieser Studie haben wir die Modulation von Arachidonsäure (AA)-Stoffwechselwegen während einer Wurminfektionen mit dem Fadenwurm Heligmosomoides polygyrus bakeri (Hpb) als angeborene regulatorische Strategie zur Modulation der Typ-2-Entzündung untersucht. Wir zeigten, dass Hpb in frühen Stadien der Infektion (Tag 7) die Produktion von regulatorischen Prostaglandinen (PGE2 und 6-keto PGF1-α, ein Abbauprodukt von PGI2) und COX-Metaboliten (12-HHT und TXB2) fördert, jedoch die Sekretion von entzündungsfördernden Mediatoren PGD2 und LTs (LTB4, cysLTs) unterdrückt. Die Hpb-gesteuerte Regulierung des AA-Stoffwechsels könnte eine Strategie zur Immunsuppression/ Immunevasion dieses Parasiten darstellen, die darauf abzielt, die vom Wirt ausgelösten Immunantworten des Typs-2 zu unterbinden und sowohl die Infiltration und Rekrutierung von Granulozyten als auch die Schleimproduktion zu begrenzen und auf diese Weise das Abtöten bzw. Ausscheiden der Larven zu verhindern.
Als Schwerpunkt der Arbeit, konnten wir ebenso zeigen, dass ein Larvenextrakt aus Heligmosomoides polygyrus bakeri (HpbE) den AA Stoffwechsel in myeloiden Zellen wie Makrophagen und Granulozyten moduliert, indem die Synthese von 5-LOX in Richtung COX-Metaboliten verschoben wird. Die Behandlung von murinen und humanen Makrophagen mit HpbE induzierte die Synthese von regulatorischen Prostaglandinen (PGE2) und Prostaglandinen, die an der Wundheilung und Blutgerinnung beteiligt sind (12-HHT, TXB2), wohingegen die Produktion von entzündungsfördernden Lipidmediatoren (LTs, PGD2) unterdrückt wurde. Weiter induzierte HpbE in humanen und murinen Makrophagen die Synthese der Typ-2 hemmenden Mediatoren IL-10 und IL-1β und modulierte die Produktion von Zytokinen, die an der Regulierung von M2-Polarisierung und der Typ-2-Entzündung (IL-12, IL-28, IL-27 und TNF-α) in humanen Makrophagen beteiligt sind. Ähnlich zu der HpbE-vermittelten Eicosanoid-Umprogrammierung in Makrophagen, veränderte HpbE den AA-Stoffwechsel humaner Granulozyten und zeigt eine Verschiebung von LOX- in Richtung COX-Metabolismus. Außerdem kann HpbE direkt auf humane Granulozyten wirken und die Chemotaxis von Granulozyten effizienter hemmen als zur Asthmabehandlung verwendete Standardarzneimittel, indem es die Expression von LT synthetisierenden Enzymen (LTA4H und LTC4S) verringert und die Expression von chemotaktischen Rezeptoren (CCR3 und CRTH2) herunterreguliert.
Darüber hinaus, konnten wir die Mechanismen identifizieren, die der HpbE-gesteuerten Eicosanoid-Umprogrammierung in Makrophagen zugrunde liegen. Hpb Produkte induzierten die Aktivierung von p38 MAPK, welche COX und die Transkriptionsfaktoren HIF-1α und NFκβ aktiviert und die Produktion von Prostaglandinen (PGE2 and TXB2) sowie der Typ-2 unterdrückenden Zytokine IL-10 and IL-1β fördert. Der der Induktion des COX-Signalwegs zugrunde liegende Upstream-Mechanismus umfasste mehrere PPRs (TLR2, Dectin-1/2). Diese Rezeptoren waren allerdings nicht an der HpbE-gesteuerten Induktion von IL-10 beteiligt. Die Mechanismen der Modulation des 5-LOX-Signalweges muss noch in zukünftigen Studien weiter erforscht werden.
Das therapeutische Potential von HpbE oder HpbE-behandelten Makrophagen wurde in einem Maus Model mit HDM-induzierter allergischer Atemwegsentzündung in vivo gezeigt. Eine intranasale Behandlung mit HpbE vor HDM-Sensibilisierung und -Provokation führte zu einer Umprogrammierung des AA-Stoffwechsels und verhinderte die Allergie-induzierte Eosinophilie, Zellinfiltration, Atemwegsentzündung und Schleimproduktion. Die Modulation der Typ-2-Entzündung durch HpbE wurde vor allem durch COX-2-Metabolite vermittelt, die von HpbE-stimulierten Makrophagen freigesetzt wurden. Dies zeigte sich insbesondere darin, dass der Transfer von HpbE-stimulierten Wildtyp- aber nicht COX-2-defizienten Makrophagen vor Provokation die Granulozyten Rekrutierung und Typ-2-Entzündung während der HDM-induzierten Allergie in vivo abschwächte.
Mittels eines Maus Models für die allergische Atemwegsentzündung in unterschiedlichen Altersstufen (Neugeboren, Jungtier und Erwachsen) zeigte dieses Forschungsprojekt, dass das Alter der Sensibilisierung eine Schlüsselrolle bei der Produktion von LTs, der Expression von LT-Synthese Enzymen sowie von Faktoren, die zu strukturellen Veränderungen in den Atemwegen führen, spielt. Hier haben wir auch festgestellt, dass der Mechanismus hinter der LT-Produktion und dem Atemwegs-Remodeling im Epithel von ausgewachsenen sensibilisierten Mäusen die Aktivierung der Faktoren sPLA2X, TGM2 und Wnt5a beinhaltet.
Des Weiteren zeigte unsere Studie, dass eine Wechselwirkung zwischen entzündetem Atemwegsepithel und Alveolar-ähnlichen Makrophagen die Synthese von LTs fördern kann. Der vorgeschlagene Mechanismus startet mit der Sekretion von Wnt5a durch das entzündete Atemwegsepithel, welches die Expression von TGM2 in Makrophagen aktiviert und die Produktion von entzündungsfördernden LTs induziert, wodurch die Rolle der Makrophagen in entzündeten Atemwegen bei Erwachsenen weiter unterstützt wird. Die Relevanz der entdeckten Kaskade konnte auch in Geweben von Patienten mit chronischer Rhinosinusitis und Nasenpolypen (CRSwNP) bestätigt werden. Hohe Konzentrationen von LT Enzymen (5-LO, LTC4S LTA4H), sPLA2-X, TGM2 und Wnt5a wurden in humanen Nasenpolyp Geweben beobachtet, und hohe Konzentrationen von CysLTs wurden in Nasenpolyp Sekreten dieser Patienten gemessen. Dies lässt vermuten, dass die Expression von Atemwegs Remodeling-Faktoren, LT-Synthese Enzymen und die LT Synthese steroidresistent sind. Daher könnte diese entzündliche Kaskade ein alternatives therapeutisches Ziel für die Behandlung von Asthma darstellen, speziell bei Patienten mit steroidresistenten Formen von Atemwegsentzündungen.
Basierend auf den möglichen therapeutischen Anwendungen von HpbE haben wir begonnen, an der Charakterisierung der im HpbE vorhandenen immunmodulatorischen Wirkstoffe zu arbeiten. Glutamatdehydrogenase (GDH) und Ferritin wurden als potenzielle immunmodulatorische Komponenten von HpbE identifiziert. Es ist jedoch weitere Arbeit erforderlich, um diese in HpbE vorhandenen Proteine rekombinant herzustellen und den Wirkungsmechanismus im Bezug auf die Typ-2-Entzündung weiter aufzuklären.
Nach allogenen Stammzelltransplantation und der damit einhergehenden lang andauernden Immuninkompetenz bzw. Immunsuppression sind die betroffenen Patienten stark für lebensgefährliche invasive Pilzinfektionen empfänglich. Trotz der derzeit verfügbaren antimykotischen Medikamente liegt die mit diesen Infektionen assoziierte Mortalität je nach Literatur bei 90 %. Aus diesem Grund rücken zelltherapeutische Behandlungen, die die Immunität der Patienten mit Pilzinfektionen verbessern und so die Sterblichkeit verringern könnten, immer mehr in den Fokus der Forschung auf diesem Gebiet. Leider ist die Interaktion von humanen Natürlichen Killer Zellen mit den wichtigen Verursachern invasiver Mykosen A. fumigatus und R. oryzae bisher nicht untersucht. Die Wichtigkeit von TH-Zellen in der Pilzabwehr wird zunehmend erkannt. Daher wurde bereits versucht die Prognose von Patienten mit invasiven Aspergillosen nach SZT durch den Transfer von Spender-Aspergillus-spezifischen T-Zellen zu verbessern. Die Generierung anti-R. oryzae T-Zellen sowie die Charakterisierung dieser Zellen ist bisher nicht durchgeführt worden.
Deshalb sollte im ersten Teil dieser Arbeit sollte die antifungale Aktivität humaner NK-Zellen gegenüber A. fumigatus sowie R. oryzae untersucht und charakterisiert werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit sollte die Generierung von spezifischen T-Zellen gegen R. oryzae aus Zellen des peripheren Blutes gesunder Individuen durchgeführt werden und die generierten Zellen im Hinblick auf ihre Funktionalität, Sicherheit und Wirkspektrum in vitro charakterisiert werden.
In der vorliegenden Arbeit konnte die direkte antimykotische Aktivität humaner NK-Zellen gegenüber Hyphen von A. fumigatus und R. oryzae gezeigt werden und ein Mechanismus dieser Aktivität identifiziert werden. So induzierte der Kontakt von IL-2 stimulierten NK-Zellen mit Pilzhyphen die Degranulierung der NK-Zellen und die Ausschüttung von Perforin, welches zumindest partiell, die antimykotische Aktivität humaner NK-Zellen gegenüber A. fumigatus und R. oryzae Hyphen vermittelte. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen allerdings auch, dass der therapeutische Nutzen adoptiv transferierter NK-Zellen durch einige Faktoren begrenzt werden könnte. Einerseits hatten NK-Zellen keinen zytotoxischen Effekt auf Konidien beider getesteten Pilze, andererseits deutet die beobachtete Immunsuppression darauf hin, dass ein stimulierender Effekt durch die transferierten NK-Zellen auf andere Zellen des Immunsystems durch die Hyphen der beiden Pilze inhibiert werden könnte.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass sich T-Zellen gegen R. oryzae in allen getesteten gesunden Individuen nachweisen lassen und diese isoliert und kultiviert werden können. Das deutet darauf hin, dass hinsichtlich anti-R. oryzae T-Zellen keine Restriktionen bei der Spenderauswahl zu erwarten sind. Die hergestellten Zellen konnten anhand der Expression ihrer Oberflächenantigene sowie des Profils der ausgeschütteten Zytokine dem TH1-Typ zugeordnet werden, welcher mit der protektive Immunantwort bei Pilzinfektionen assoziiert wird. Nach spezifischer Stimulation produzierten die generierten anti-R. oryzae T-Zellen die bei der Bekämpfung von Pilzinfektionen eine wichtige Rolle spielenden pro-inflammatorischen Zytokine IFN-γ und TNF-α und erhöhten die Aktivität der für die Abwehr von Pilzen wichtigen Granulozyten und Monozyten in vitro.
Zwar zeigten die generierten T-Zellen bei Kontakt mit allogenen APZ eine geringe Proliferationsantwort, diese war jedoch mit der nach Stimulation mit autologen, unbeladenen APZ gesehenen Proliferation vergleichbar. Diese Ergebnisse zeigen, dass die generierten anti-R. oryzae T-Zellen zumindest in vitro ein deutlich geringeres alloreaktives Potential als unselektionierte T-Zellen haben. Entsprechende Resultate zeigten sich auch bei Betrachtung der IFN-γ Sekretion der generierten anti-R.oryzae
T-Zellen. Die Stimulation mit Fremdspender-APZ beeinflusste die Sekretion von IFN-γ durch die anti-R. oryzae T-Zellen im Vergleich zu der IFN-γ-Sekretion durch anti-R. oryzae T-Zellen, mit autologen, unbeladenen APZ stimulierten wurden, kaum.
Des Weiteren wiesen die hergestellten anti-R. oryzae T-Zellen zahlreiche Kreuzreaktivitäten gegenüber anderen Pilzspezies, auch Genera übergreifend, auf. So zeigten sie Kreuzreaktivität gegenüber klinisch bedeutenden Pilzen wie Rhizopus microsporus, Mucor circinelloides, Rhizomucor pusillus, Aspergillus fumigatus, Aspergillus niger, Candida albicans und Candida glabrata, die alle als Erreger invasiver Mykosen bei immunsupprimierten Patienten bekannt sind. Die Stimulation mit Antigenen dieser Pilze mittels Antigenpräsentierenden Zellen führte zur einen deutlichen IFN-γ-Produktion durch die generierten Zellen.
We synthesized two green-light activatable 5’-caps for oligonucleotides based on the BODIPY and coumarin scaffold. Both bear an alkyne functionality allowing their use in numerous biological applications. They were successfully incorporated in oligonucleotides via solid-phase synthesis. Copper-catalyzed alkyne-azide cycloaddition (CuAAC) using a bisazide photo-tether gave cyclic oligonucleotides that could be relinearized by activation with green light and were shown to exhibit high stability against exonucleases. Chemical ligation as another example for bioconjugation yielded oligonucleotides with an internal strand break site. Irradiation at 530 nm or 565 nm resulted in complete photolysis of both caging groups.
G protein-coupled receptors (GPCRs) play a crucial role in modulating physiological responses and serve as the main drug target. Specifically, salmeterol and salbutamol which are used for the treatment of pulmonary diseases, exert their effects by activating the GPCR β2-adrenergic receptor (β2AR). In our study, we employed coarse-grained molecular dynamics simulations with the Martini 3 force field to investigate the dynamics of drug molecules in membranes in presence and absence of β2AR. Our simulations reveal that in more than 50% of the flip-flop events the drug molecules use the β2AR surface to permeate the membrane. The pathway along the GPCR surface is significantly more energetically favorable for the drug molecules, which was revealed by umbrella sampling simulations along spontaneous flip-flop pathways. Furthermore, we assessed the behavior of drugs with intracellular targets, such as kinase inhibitors, whose therapeutic efficacy could benefit from this observation. In summary, our results show that β2AR surface interactions can significantly enhance membrane permeation of drugs, emphasizing their potential for consideration in future drug development strategies.
The quarternary, trimethylated amine glycine betaine (GB) is widespread in nature but its fate under anoxic conditions remains elusive. It can be used by some acetogenic bacteria as carbon and energy source but the pathway of GB metabolism has not been elucidated. We have identified a gene cluster involved in GB metabolism and studied acetogenesis from GB in the model acetogen Acetobacterium woodii . GB is taken up by a secondary active, Na+ coupled transporter of the betaine‐choline‐carnitine (BCC) family. GB is demethylated to dimethylglycine, the end product of the reaction, by a methyltransferase system. Further conversion of the methyl group requires CO2 as well as Na+ indicating that GB metabolism involves the Wood‐Ljungdahl pathway. These studies culminate in a model for the path of carbon and electrons during acetogenensis from GB and a model for the bioenergetics of acetogenesis from GB.
Acute myeloid leukemia (AML) is one of the most frequently occurring and fatal types of leukemia. Initiated by genetic alterations in hematopoietic stem and progenitor cells, rapidly proliferating cancer cells (leukemic blasts) infiltrate the bone marrow and damage healthy hematopoiesis. Subgroups of AML are defined by underlying molecular and cytogenetic abnormalities, which are decisive for treatment and prognosis. For AML patients that can be intensively treated, the first line treatment remains a combination of cytarabine and anthracycline, which was developed in the 1970s. While this treatment regimen clears the disease and reinstates normal hematopoiesis (complete remission, CR) in 60% to 80% of patients below the age of 60, CR rates in patients above the age of 60 are only 40% to 50%. Relapse and refractory disease are the major cause of death of AML patients, despite large efforts to improve risk-adjusted post-remission therapy with further chemotherapy cycles and, if possible, allogeneic bone marrow transplantation. Elderly patients are particularly difficult to treat because of age-related comorbidities and because their disease tends to relapse more often than the disease of younger patients. Thus, the cure rates of AML vary with age, with 5-year survival rates of about 50% in young patients, and less than 20% in patients above the age of 65 years. With the median age of AML patients being 68 years, the need for novel therapeutic options is immense. The recent approval of eight new agents (venetoclax, midostaurin, gilteritinib, glasdegib, ivosidenib, enasidenib, gemtuzumab ozogamicin and CPX-351 (liposomal cytarabine and daunorubicin)) has added considerably to the therapeutic armamentarium of AML and has increased cure rates in specific subgroups of AML. However, the high heterogeneity among patients, clonal evolution and commonly occurring drug resistance, which cause the high relapse rates, remain a substantial problem in the treatment of AML. Therefore, a better understanding of currently used therapeutics and further development of novel therapeutics is urgently needed.
In recent years, attention has increasingly focused on therapeutic strategies to interfere with the metabolic requirements of cancer cells. The last three decades have provided extensive insights into the diversity and flexibility of AML metabolism. AML cells use different sources of nutrients compared to normal hematopoietic progenitor cells and reprogram their metabolic pathways to fulfill their exquisite anabolic and energetic needs. As a result, they develop high metabolic plasticity that enables them to thrive in the bone marrow microenvironment, where oxygen and nutrient availability are subject to constant change.
Cancer cells, specifically AML cells, have a strong dependency for the amino acid glutamine. Glutamine serves in energy production, redox control, cell signaling as well as an important nitrogen source. The only enzyme capable of de novo glutamine synthesis is glutamine synthetase (GS). GS catalyzes glutamine production from glutamate and ammonium. In AML, the metabolic role and dependency of GS is poorly understood. Here, we investigated the effects of GS deletion on AML growth, and its functional relevance in AML metabolism. Genetic deletion of GS resulted in a significant decrease of cell growth in vitro, and impaired leukemia progression in vivo in a xenotransplantation mouse model. Interestingly, the dependency of AML cell growth on GS was shown to be independent of its functional role in glutamine synthesis. Glutamine starvation did not increase the dependency of the AML cells on GS, nor did increased glutamine availability rescue the GS-knockout-associated growth disadvantage. Instead, functional studies revealed the role of GS in the detoxification of ammonium. GS-deficient cells showed elevated ammonium secretion as well as a higher sensitivity towards the toxic metabolite. Exogenous provision of 15N-labeled ammonium was detoxified by GS-driven incorporation into glutamine. Studies on cells that had gained resistance to GS-knockout-mediated growth inhibition indicated enzymes involved in the urea cycle and the arginine biogenesis pathway to compensate for a loss of GS. Together, these findings unveiled GS as an important ammonium scavenger in AML.
Clinical studies on AML patients revealed increased ammonium concentrations in the blast-infiltrated bone marrow compared to peripheral blood. In line with this finding, proteome and transcriptome analysis of AML blasts showed a significant upregulation of GS in AML compared to healthy progenitors, further indicating its importance in ammonium detoxification.
Analyzing pathways that contribute to ammonium production revealed protein uptake followed by amino acid catabolism as a yet not identified mechanism supporting AML growth. Protein endocytosis and subsequent proteolytic degradation were shown to rescue AML cells from otherwise growth-inhibiting glucose or amino acid depletion. Furthermore, protein metabolization led to the reactivation of the mammalian target of rapamycin (mTOR) signaling pathway, which was deactivated upon leucine and glutamine depletion, revealing protein consumption as an important alternative source of amino acids in AML.
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Rhizomes from Zingiber officinale Roscoe are traditionally used for the treatment of a plethora of pathophysiological conditions such as diarrhea, nausea, or rheumatoid arthritis. While 6-gingerol is the pungent principle in fresh ginger, in dried rhizomes, 6-gingerol is dehydrated to 6-shogaol. 6-Shogaol has been demonstrated to exhibit anticancer, antioxidative, and anti-inflammatory actions more effectively than 6-gingerol due to the presence of an electrophilic Michael acceptor moiety. In vitro, 6-shogaol exhibits anti-inflammatory actions in a variety of cell types, including leukocytes. Our study focused on the effects of 6-shogaol on activated endothelial cells. We found that 6-shogaol significantly reduced the adhesion of leukocytes onto lipopolysaccharide (LPS)-activated human umbilical vein endothelial cells (HUVECs), resulting in a significantly reduced transmigration of THP-1 cells through an endothelial cell monolayer. Analyzing the mediators of endothelial cell–leukocyte interactions, we found that 30 µM of 6-shogaol blocked the LPS-triggered mRNA and protein expression of cell adhesion molecules. In concert with this, our study demonstrates that the LPS-induced nuclear factor κB (NFκB) promoter activity was significantly reduced upon treatment with 6-shogaol. Interestingly, the nuclear translocation of p65 was slightly decreased, and protein levels of the LPS receptor Toll-like receptor 4 remained unimpaired. Analyzing the impact of 6-shogaol on angiogenesis-related cell functions in vitro, we found that 6-shogaol attenuated the proliferation as well as the directed and undirected migration of HUVECs. Of note, 6-shogaol also strongly reduced the chemotactic migration of endothelial cells in the direction of a serum gradient. Moreover, 30 µM of 6-shogaol blocked the formation of vascular endothelial growth factor (VEGF)-induced endothelial sprouts from HUVEC spheroids and from murine aortic rings. Importantly, this study shows for the first time that 6-shogaol exhibits a vascular-disruptive impact on angiogenic sprouts from murine aortae. Our study demonstrates that the main bioactive ingredient in dried ginger, 6-shogaol, exhibits beneficial characteristics as an inhibitor of inflammation- and angiogenesis-related processes in vascular endothelial cells.
In this research project we aimed to generate genetically modified megakaryocytes and platelets, by targeting protein expression to their secretory alpha-granules to delivery ectopic or therapeutic proteins, to be stored and kept there until an external stimulus triggers platelet activation and platelet secretion takes place. During platelet activation, the therapeutic proteins would then be released to the extracellular space, either as a soluble protein or exposed as a transmembrane protein on the cell surface of platelets. For long-term approaches, genetic modifications must be introduced at the hematopoietic stem cell level.
AIMS: As first approach, we aimed to characterize the lineage-specificity of expression of six different promoter fragments in lentiviral vectors: the murine platelet factor 4 (mPf4) 1222 bp (-1074 to +148), human glycoprotein Ib alpha (hGP1BA) 595 bp (-265 to +330), a short and a longer fragment of the human glycoprotein 6 (hGP6 / hGP6s) 351 bp (-322 to +29) / 726 bp (-697 to +29), as well the human glycoprotein 9 (GP9) promoter 794 bp (-782 to -12). These promoter fragments were included as internal cellular promoters in self-inactivating lentiviral vectors (SIN), using an enhanced green fluorescent protein (eGFP) as gene reporter. GFP detection was evaluated in vitro (in transduced non-megakaryocitc blood cell progenitors and in-vitro differentiated megakaryocytes) and in vivo (Bone marrow cells, blood cells and spleen cells). For targeting of proteins to the secretory alpha granules of megakaryocytes and platelets, we followed two strategies: A) The sorting signal of the cytokine RANTES was fused N-terminally to the destabilized GFP, d2eGFP (RANTES. d2eGFP), to deliver the protein into the granules as soluble cargo. B) The transmembrane granular targeting sequence of P-selectin (the transmembrane domain and cytoplasmic tail (referred as TDCT) was fused to d2eGFP or the B domain deleted codon optimized human coagulation Factor VIII cDNA (referred as BDcohFVIII_TDCT or FVIII_TDCT), to deliver the protein into the membrane of alpha granules. These two strategies were tested in-vitro, from transduced differentiated megakaryocytes in liquid cultures, and in-vivo, by analysis of genetically modified platelets by means of Laser Scanning Confocal Microscopy (LSM) in colocalization analysis (performed at the single cell level) and fluorescence intensity analysis.
RESULTS: GFP expression in blood cells from transplanted mice was significantly higher in platelets, with a smaller background promoter activity in leukocytes and erythrocytes. The highest expression was observed from the mPf4-vector, followed by hGP1BA, hGP6 and hGP6s vectors, identifying the hGP6 vectors as the most restricted to the megakaryocyte and platelet lineage. Analysis in bone marrow cells showed that hGP6-vectors have the lowest activity in the hematopoietic stem and progenitor cells (HSPC) with less than 10% of GFP positive stem cells. Surprisingly, the mPf4 and hGP1BA vectors were both highly active in the HSPC, in a range of 20 to 70% of GFP-positive cells. Polyploidization in later stages of MK-maturation of in-vitro Mks differentiated from Mpl-/- lineage marker negative cells were recovered after gene transfer of the thrombopoietin receptor Mpl, under the control of MK-specific vectors in differentiated into MKs. These results were corroborated in in-vivo analysis, where Mpl-/- mice transplanted with lin-BM cells transduced with the mPf4.Mpl and hGP6.Mpl vectors, showed significantly elevated platelet counts compared to control mice transplanted with a GFP-encoding control vector (PGK-GFP). In the Fluorescent intensity and colocalization analysis of transduced megakaryocytes with the targeting vectors, we observed a significant difference in the GFP targeting compared with those MK transduced with the non-targeting vectors. The median of the WCC values observed from the RANTES.d2eGFP targeting vector was 0.8 (80 % of colocalization) with P-selectin stained granules, and 0.7 (70%) with von Willebrand Factor stained granules. In the case of the non-targeting vector SFFV.d2eGFP the median of the WCC observed were <0.3 (30%) both in P-selectin and von Willebrand Factor stained granules. We observed as well that the GFP signal of MK transduced with the P-selectin.d2eGFP fusion overlapped the signals emitted by P-selectin and von Willebrand factor stained granules, not just in LSM-digitalized images but in the fluorescens intensity analysis as well, indicating a clear signal of GFP colocalization. Likewise, an evident signal overlap between the targeted FVIII (FVIII_TDCT) with the P-selectin / von Willebrand marker was observed. Colocalization and fluorescens intensity analysis performed on activated platelets from transplanted mice with the targeting vectors, corroborated what was previously observed in in-vitro megakaryocytes. The genetic modification of megakaryocyte and platelets will allow in the furture, not just the development of new generation of cells with advanced functions, but it will help us to elucidate new mechanisms and pathways of important cellular processes, by modifying cell function and cell interactions.