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In der vorgelegten kumulativen Arbeit wurden strukturelle und funktionale Untersuchungen an Nukleinsäuren durchgeführt, hauptsächlich, aber nicht ausschließlich unter Verwendung von NMR-Spektroskopie (Kernspin Resonanzspektroskopie) als Analysemethode. Die untersuchten Biomoleküle umfassten kleinere und größere biologisch relevante RNAs sowie einen artifiziellen DNA G-Quadruplex. Hierbei konnten Ergebnisse im Bereich der Bestimmung der molekularen Struktur, der Aufklärung der biologischen Funktion und der Wirkstoffentwicklung gewonnen werden, die in sechs verschiedenen Publikationen dargelegt sind, an deren Erstellung der Autor maßgeblich oder hauptverantwortlich beteiligt war. Des Weiteren wird in einem mehrgliedrigen Einleitungssegment auf den Stand der aktuellen Forschung in den jeweiligen Teilgebieten eingegangen.
Hepatocyte nuclear factor 4α (HNF4α) is a ligand-sensing transcription factor and presents as a potential drug target in metabolic diseases and cancer. In humans, mutations in the HNF4α gene cause maturity-onset diabetes of the young (MODY), and the elevated activity of this protein has been associated with gastrointestinal cancers. Despite the high therapeutic potential, available ligands and structure–activity relationship knowledge for this nuclear receptor are scarce. Here, we disclose a chemically diverse collection of orthogonally validated fragment-like activators as well as inverse agonists, which modulate HNF4α activity in a low micromolar range. These compounds demonstrate the druggability of HNF4α and thus provide a starting point for medicinal chemistry as well as an early tool for chemogenomics.
In dieser Arbeit werden die Ergebnisse quantenchemischer Untersuchungen von verschiedenen Siliciumverbindungsklassen vorgestellt, die in weiten Teilen als Begleitung zu experimentellen Arbeiten durchgeführt wurden. Das erste Hauptkapitel befasst sich mit den Chloridkomplexen von Perchlorsilanen, zu denen die inversen Sandwichkomplexe und die Silafullerane mit endohedralem Gast gehören. Der Fokus liegt dabei auf den Bindungseigenschaften zwischen Ligand und Silan. Weiterhin werden thermodynamische Untersuchungen zu Aufbaureaktionen und Eigenschaften der Verbindungen vorgestellt. Mit den durchgeführten Rechnungen kann gezeigt werden, dass durch Wahl geeigneter Substituenten am Siliciumatom ein Wechsel in den Chloridkomplexen von einem hyperkoordinierten Siliciumatom hin zu einem Siliciumatom mit ausgebildeter Tetrelbindung erreicht werden kann. Bei den inversen Sandwichkomplexen sind beide Bindungsmodi möglich, von denen die Tetrelbindung die stärkere darstellt. Neben Chloridionen können hier auch Nitrile und Chlorsubstituenten am eigenen Silangerüst als Liganden fungieren. Die stärksten Tetrelbindungen können bei den endohedral funktionalisierten Silafullerankomplexen gefunden werden. Hier stellt das experimentell isolierte Strukturmotiv mit zwölf äußeren Trichlorsilylsubstituenten das thermodynamisch stabilste Substitutionsmuster dar. Im folgenden Kapitel werden die generellen physikalischen Ursachen für die beobachteten thermodynamischen Trends zwischen Perchlorsilanisomeren sowie Disproportionierungsreaktionen behandelt und ein direkter Vergleich mit Alkanhomologen angestellt. Bei den Perchlorsilanen und den meisten Homologen ist bei den untersuchten Systemen eine energetische Präferenz von verzweigteren Strukturen zu erkennen. Die Ursache hierfür liegt hauptsächlich bei stärkeren attraktiven Wechselwirkungen durch Korrelationseffekte, Hyperkonjugation sowie elektrostatische Effekte, welche stärkere repulsive Wechselwirkungen wie die Pauli-Repulsion überkompensieren. Im letzten Kapitel kommen zu den bisher behandelten Reaktionen unter Si-Cl- und Si-Si-Bindungsbeteiligung noch Reaktionen unter Si-C-Bindungsbeteiligungen hinzu. Dort werden die auch wegen ihrer Elektronentransporteigenschaften interessanten Silacyclopentadiene (Silole) hinsichtlich ihrer Isomerisierung, Dimerisierung und weiteren pericyclischen Reaktivität untersucht. Gegenüber dem verwandten Cyclopentadien zeigen diese eine deutlich erhöhte Reaktivität, was zu verschiedenen Dimerisierungsreaktionen führt, solange keine Abfangreagenzien im Überschuss zugegen sind.
Protein ubiquitination is a post-translational modification that typically involves the conjugation of ubiquitin to substrate proteins via a three-enzyme cascade and regulates a wide variety of cellular processes. Recent studies have revealed that SidE family of Legionella effectors such as SdeA catalyzes novel phosphoribosyl-linked ubiquitination (PR-ubiquitination) of serines in host substrate proteins utilizing NAD+, without the need of E2, E3. The catalytic core of SdeA comprises a mono-ADP-ribosyltransferase (mART) domain that functions to ADP-ribosylate ubiquitin, and a phosphodiesterase (PDE) domain that processes ADP-ribosylated ubiquitin and transfers the resulting phosphoribosylated ubiquitin to serines of substrates.
To date, extensive efforts have been made to study the function of SdeA and mechanism of SdeA mediated PR-ubiquitination, however, the cellular effects of this novel ubiquitination and phosphoribosylation of ubiquitin remained poorly understood. In our study, using biochemical and cell biological approaches, we explored the biological effect of phosphoribosylation of ubiquitin caused by SdeA in cells. We found that phosphoribosylated ubiquitin is not available for conventional ubiquitination, thereby phosphoribosylation of ubiquitin impairs numerous classical ubiquitination related cellular processes including mitophagy, TNF-α signaling and proteasomal degradation.
The precise temporal regulation of the functions of bacterial effectors during Legionella infection by other effectors with antagonizing activities has been well studied so far. Not surprisingly, PR-ubiquitination catalyzed by SidE family effecters is tightly controlled as well, it has been long known that effector SidJ counteracts the toxicity of SdeA to yeast cells. Interestingly, in an experiment for verifying the activity of SidJ, we found that Legionella lysate lacking SidJ was still able to remove ubiquitin from PR-ubiquitinated substrates. Using biochemical approach we identified DupA and DupB, two Legionella bacterial effectors that specifically reverse the novel serine PR-ubiquitination catalyzed by SdeA. We found that DupA and DupB possess a highly homologous PDE domain that removes ubiquitin from PR-ubiquitinated substrates by cleaving the phosphodiester bond between the phosphoribosylated-ubiquitin and serines of substrates. Catalytically deficient mutant DupA H67A strongly binds to PR-ubiquitinated proteins but not capable of cleaving PR-ubiquitin, using it as a trapping bait we identified over 180 substrates of PR-ubiquitination, including a number of ER and Golgi proteins.
In particular, we found that exogenously expressed SdeA localizes to the Golgi apparatus via its C-terminal region and disrupts the Golgi. We validated the identified potential substrates of SidE effectors and found that SdeA modifies Golgi tethering proteins GRASP55 and GRASP65. Using mass spectrometry analyses we identified four serine targets (S3, S408, S409, S449) of GRASP55 PR-ubiquitinated by SdeA in vitro. Ubiquitination of GRASP55 serine mutant in cells co-expressing SdeA or infected with Legionella was markedly decreased, compared with that of the wild-type GRASP55. In addition, with co-immunoprecipitation analyses we found that SdeA-catalyzed ubiquitination regulates the function of GRASP55. PR-ubiquitinated GRASP55 exhibited reduced self-interaction compared to unmodified GRASP55, expression of GRASP55 serine mutant in cells in part rescued Golgi damage caused by SdeA. Furthermore, our study reveals that Golgi structure disruption caused by SdeA does not result in the recruitment of Golgi membranes to the Legionella-containing vacuoles. Instead, it affects cellular secretory pathway including cytokine secretion in cells.
Taken all together, this work expands the understanding of this unconventional PR-ubiquitination catalyzed by Legionella effectors and sheds light on the functions of PR-ubiquitination by which Legionella regulates the Golgi function and secretion pathway during bacterial infection.
H/ACA-RNPs are involved in RNA guided pseudouridylation of rRNAs and snRNAs. In this thesis I reconstituted active and labeled archaeal as well as eukaryotic H/ACA-RNPs and studied the structural dynamics of complex assembly and pseudouridine formation. Single molecule FRET spectroscopy was used as method of analysis to study structure, assembly and dynamics of these important complexes.
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.
An overexpression of the E3 ubiquitin ligase TRIM25 is implicated in several human cancers and frequently correlates with a poor prognosis and occurrence of therapy resistance in patients. Previous studies of our group have identified the mRNA encoding the pro-apoptotic caspase-2 as a direct target of the ubiquitous RNA binding protein human antigen R (HuR). The constitutive HuR binding observed in colon carcinoma cells negatively interferes with the translation of caspase-2 mainly through binding to the 5' untranslated region (UTR) of caspase-2 and thereby confers an increased survival of tumor cells. The main objective of this thesis was to unravel novel regulatory proteins critically involved in the control of caspase-2 translation and their impact on therapeutic drug resistance of human colon carcinoma cells. By employing RNA affinity chromatography in combination with mass-spectrometry, among several putative caspase-2 mRNA binding proteins, we have identified the tripartite motif-containing protein 25 (TRIM25) as novel caspase-2 translation regulatory protein in colon carcinoma cells. The constitutive TRIM25 binding to caspase-2 mRNA in two different human colorectal carcinoma cell lines was validated by ribonucleoprotein (RNP)-immunoprecipitation (RIP)-RT-PCR assay and by means of biotin-labeled RNA-pull-down assay. Since caspase-2 is a caspase which is particularly involved in the DNA-damage-induced apoptosis, I tested the functional relevance of negative caspase-2 regulation by TRIM25 for chemotherapeutic drug-induced cell death of different adenocarcinoma cells by RNA interference (RNAi)- mediated loss-of-function and gain-of-function approaches. In the first part of the thesis, I could demonstrate that transient silencing of TRIM25 caused a significant increase in caspase-2 protein levels without affecting the amount of corresponding mRNAs. Mechanistically, the TRIM25 silencing-triggered increase in caspase-2 was totally impaired by cycloheximide, indicating that the stimulatory effects on caspase-2 levels depend on protein synthesis. This finding was corroborated by RNP/polysomal fractionation, which revealed that the transient knockdown of TRIM25 caused a significant redistribution of caspase-2 transcripts from the fraction of RNP particles to that from translationally active polyribosomes.
The second part of my thesis aimed at the elucidation of the functional consequences of the negative caspase-2 regulation by TRIM25 for enhanced tumor cell survival. Thereby, I found that the siRNA-mediated knockdown of TRIM25 caused a significant increase in the chemotherapeutic drug-induced cleavage of caspase-3 and to elevations in cytoplasmic cytochrome c levels implicating that TRIM25 depletion did mainly affect the intrinsic apoptotic pathway. Concordantly, the ectopic expression of TRIM25 caused a reduction in caspase-2 protein levels, concomitant with an attenuated sensitivity of tumor cells to doxorubicin.
To test the functional impact of caspase-2 in the TRIM25 depletion-dependent sensitization to drug-induced apoptosis, I employed a siRNA-mediated knockdown of caspase-2. Interestingly, the strong induction of caspase-3 and -7 cleavage after doxorubicin treatment was fully impaired after the additional knockdown of caspase-2, indicating the sensitizing effects by TRIM25 knockdown depend on caspase-2.
Data from this thesis identified the TRIM25 as a novel RNA-binding protein of caspase-2 mRNA, which negatively interferes with the translation of caspase-2 and which functionally contributes to chemotherapeutic drug resistance of colon carcinoma cells. Interfering with the negative TRIM25-caspase-2 axis may represent a promising therapeutic avenue for sensitizing colorectal cancers to conventional anti-tumor therapies.
Persistent and, in particular, neuropathic pain is a major healthcare problem with still insufficient pharmacological treatment options. This triggered research activities aimed at finding analgesics with a novel mechanism of action. Results of these efforts will need to pass through the phases of drug development, in which experimental human pain models are established components e.g. implemented as chemical hyperalgesia induced by capsaicin. We aimed at ranking the various readouts of a human capsaicin–based pain model with respect to the most relevant information about the effects of a potential reference analgesic. In a placebo‐controlled, randomized cross‐over study, seven different pain‐related readouts were acquired in 16 healthy individuals before and after oral administration of 300 mg pregabalin. The sizes of the effect on pain induced by intradermal injection of capsaicin were quantified by calculating Cohen's d. While in four of the seven pain‐related parameters, pregabalin provided a small effect judged by values of Cohen's d exceeding 0.2, an item categorization technique implemented as computed ABC analysis identified the pain intensities in the area of secondary hyperalgesia and of allodynia as the most suitable parameters to quantify the analgesic effects of pregabalin. Results of this study provide further support for the ability of the intradermal capsaicin pain model to show analgesic effects of pregabalin. Results can serve as a basis for the designs of studies where the inclusion of this particular pain model and pregabalin is planned.
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.
Paul Ehrlich's concept of the magic bullet, by which a single drug induces pharmacological effects by interacting with a single receptor has been a strong driving force in pharmacology for a century. It is continually thwarted, though, by the fact that the treated organism is highly dynamic and the target molecule(s) is (are) never static. In this article, we address some of the factors that modify and cause the mobility and plasticity of drug targets and their interactions with ligands and discuss how these can lead to unexpected (lack of) effects of drugs. These factors include genetic, epigenetic, and phenotypic variability, cellular plasticity, chronobiological rhythms, time, age and disease resolution, sex, drug metabolism, and distribution. We emphasize four existing approaches that can be taken, either singly or in combination, to try to minimize effects of pharmacological plasticity. These are firstly, to enhance specificity using target conditions close to those in diseases, secondly, by simultaneously or thirdly, sequentially aiming at multiple targets, and fourthly, in synchronization with concurrent dietary, psychological, training, and biorhythm‐synchronizing procedures to optimize drug therapy.
A plethora of data has highlighted the role of epigenetics in the development of cancer. Initiation and progression of different cancer types are associated with a variety of changes of epigenetic mechanisms, including aberrant DNA methylation, histone modifications, and miRNA expression. At the same time, advances in the available epigenetic tools allow to investigate and reverse these epigenetic changes and form the basis for the development of anticancer drugs in human oncology. Although human and canine cancer shares several common features, only recently that studies emerged investigating the epigenetic landscape in canine cancer and applying epigenetic modulators to canine cancer. This review focuses on the existing studies involving epigenetic changes in different types of canine cancer and the use of small-molecule inhibitors in canine cancer cells.
Central cholinergic function and metabolic changes in streptozotocin‐induced rat brain injury
(2020)
As glucose hypometabolism in the brain is an early sign of Alzheimer´s dementia (AD), the diabetogenic drug streptozotocin (STZ) has been used to induce Alzheimer‐like pathology in rat brain by intracereboventricular injection (icv‐STZ). However, many details of the pathological mechanism of STZ in this AD model remain unclear. Here, we report metabolic and cholinergic effects of icv‐STZ using microdialysis in freely moving animals. We found that icv‐STZ at a dose of 3 mg/kg (2 × 1.5 mg/kg) causes overt toxicity reflected in body weight loss. Three weeks after STZ administration, histological examination revealed a high number of glial fibrillary acidic protein reactive cells in the hippocampus, accompanied by Fluoro‐Jade C‐positive cells in the CA1 region. Glucose and lactate levels in microdialysates were unchanged, but mitochondrial respiration measured ex vivo was reduced by 9%–15%. High‐affinity choline uptake, choline acetyltransferase, and acetylcholine esterase (AChE) activities in the hippocampus were reduced by 16%, 28%, and 30%, respectively. Importantly, extracellular acetylcholine (ACh) levels in the hippocampus were unchanged and responded to behavioral and pharmacological challenges. In comparison, extracellular ACh levels and cholinergic parameters in the striatum were unchanged or slightly increased. We conclude that the icv‐STZ model poorly reflects central cholinergic dysfunction, an important characteristic of dementia. The icv‐STZ model may be more aptly described as an animal model of hippocampal gliosis.
Acute lymphoblastic leukemia (ALL), a neoplastic disorder of blood cells of the lymphoid lineage, is the most frequent childhood cancer. In spite of increasing survival rates, the outcome for adults, infants or relapsed patients is still less favorable, highlighting the need for novel treatment options. Reactive oxygen species (ROS) are important signaling molecules that are involved in a variety of cellular pathways. As high ROS levels lead to oxidative stress and irreversible oxidation of cellular macromolecules, the production and elimination of ROS is tightly controlled. Therefore, cells express several antioxidant molecules and enzymes, including glutathione, catalase and the thioredoxin (Trx) system, to balance ROS levels. As cancer cells were found to have increased ROS levels that could contribute to tumor progression and metastasis, they rely strongly on these antioxidant systems to prevent oxidative damage, making cancer cells especially vulnerable to ROS-inducing treatments. ROS and oxidative stress have been shown to induce programmed cell death via different pathways, however the exact mechanisms that couples oxidative signaling and cell death is not completely understood.
As a disturbance of the cellular redox homeostasis was reported during leukemia development and progression, we wanted to determine the potential of Trx inhibitors for ALL therapy. Additionally, we aimed to further understand the role of ROS and subsequent protein oxidation in the induction and execution of programmed cell death.
First, we demonstrated that the Trx1 inhibitor PX-12 induced cell death in three ALL cell lines. Further analysis of the events leading to PX-12-induced cell death in FADD-deficient (FD) Jurkat cells revealed an increase in ROS levels and oxidation-mediated dimer formation of peroxiredoxin 3 (PRDX3). Interestingly cell death was inhibited by the thiol-containing antioxidant N-acetylcysteine (NAC), but not by non-thiol-containing ROS scavengers. PX-12 treatment further induced cleavage of caspase-9 and -3 and activation of the pro-apoptotic BCL-2 protein BAK, leading us to the conclusion that mitochondria-dependent apoptosis was induced. Interestingly, we could demonstrate an important role for the BH3-only protein NOXA in the mediation of PX-12-induced apoptosis as knock-down of NOXA prevented cell death induction and BAK activation. Our findings give novel insights into the mechanism of PX-12-induced cell death in ALL cell lines and underscores the potential of PX-12 for the treatment of ALL.
To further understand the processes leading to cell death upon inhibition of the Trx system, we analyzed global protein oxidation in Jurkat FD cells upon treatment with the Trx reductase inhibitor Auranofin. In line with previous results, Auranofin induced intrinsic apoptosis that was dependent on BAK and accompanied by increased ROS levels. Using a BIAM Switch Assay followed by mass spectrometry, we demonstrated that Auranofin treatment induced oxidation of over 200 proteins. We identified several proteins whose oxidation upon Auranofin treatment was expected, like Trx1, Trx2 and several peroxiredoxins. Additionally, we verified oxidation of APAF1-interacting protein (APIP) and protein arginine N-methyltransferase (PRMT1) that are both implicated in the regulation of apoptosis. With this analysis we were able to demonstrate that Auranofin treatment leads to changes in global protein oxidation. Whether oxidation of the determined proteins changes their functionality and contributes to apoptosis induction remains to be elucidated.
As we identified BAK as an important player in PX-12- and Auranofin-induced cell death in the previous parts of this study, we wanted to further understand its involvement in ROS-mediated cell death. First analyses in wild-type (WT) and BAK-/- murine embryonic fibroblasts (MEFs) revealed that BAK was essential for Auranofin-induced cell death and that this cell death was caspase-independent in MEFs. Interestingly, BAK oxidation was induced upon treatment with Auranofin, but not upon stimulation with the apoptosis-inducing compound Etoposide. Expression of mutated BAK, with either one or both oxidation-sensitive cysteines mutated to oxidation-insensitive serines, revealed that mutating already one cysteine protected cells from Auranofin , but not Etoposide-induced cell death. Of note, mutation of the BAK BH3 domain rescued MEFs from both, Auranofin- and Etoposide-mediated cell death. The presence of cysteine residues also altered BAK interactions as observed by a mass spectrometric analysis of Auranofin-treated MEFs expressing either WT or cysteine-less BAK. We identified interactions of WT BAK with proteins involved in mitochondrial fission and vesicle transport upon Auranofin treatment. Of note, interaction with proteins involved in apoptosis, like BAX or BCL-XL, was not changed between WT and cysteine-less BAK. Our results demonstrate a critical role for BAK oxidation in Auranofin-induced cell death. Furthermore, we identified novel oxidation-dependent BAK interaction partners.
To conclude, this study highlights the potential of ROS-inducing treatments for ALL therapy and provides novel insights into the redox regulation of programmed cell death.
Two main types of methods are used in gene therapy: integrating vectors and nuclease-based genome engineering. Nucleases are site-specific and are efficient for knock-outs, but inefficient at inserting long DNA sequences. Integrating vectors perform this task with high efficiency, but their insertion occurs at random genomic positions. This can result in transformation of target cells, which leads to severe adverse events in a gene therapy context. Thus, it is of great interest to develop novel genome engineering tools that combine the advantages of both technologies. The main focus of this thesis is on generating such a targetable integrating vector.
The integrating vector used in this project is the Sleeping Beauty (SB) transposon, a DNA transposon characterized by high activity across a wide range of cells. The SB transposase was combined with an RNA-guided Cas9 nuclease domain. This nuclease component was meant to direct transposase integration to specific targets defined by RNAs. The SB transposase was fused to cleavage-inactivated Cas9 (dCas9) to tether it to the target sites. In addition, adapter proteins consisting of dCas9 and domains non-covalently interacting with SB transposase or the SB transposon were generated. All constituent domains of these fusion proteins were tested in enzymatic assays and almost all enzymatic activities could be verified.
Combining the fusion protein dCas9-SB100X with a gRNA binding a sequence from the AluY repetitive element resulted in a weak, but statistically significant enrichment around sites bound by the gRNA. This enrichment was ca. 2-fold and occurred within a 300 bp window downstream of target sites, or within the AluY element.
Targeting with adapter proteins and targeting of other targets (L1 elements or single-copy targets) did not result in statistically significant effects. Single-copy targets tested included the HPRT gene and three specifically selected GSH targets that were known to be receptive to SB insertions. The combination with a more sequence-specific transposase mutant also failed to increase specificity to a level allowing targeting of single-copy loci. Genome-wide analysis of insertions however demonstrated, that dCas9-SB100X has a different insertion profile than SB100X, regardless of the gRNA used.
As low efficiency of retargeting is likely a consequence of the high background activity of the SB100X transposase in the fusion constructs, a SB mutant with reduced DNA affinity, SB(C42), was generated. For this mutant, transposition activity was partly dependent on a dCas9 domain being supplied with a multi-copy target gRNA, specifically a 2-fold increase in the presence of a AluY-directed gRNA. Whether using this mutant results in improved targeting remains to be determined.
In a side project, an attempt was made to direct SB insertions to ribosomal DNA by fusing the transposase to a nucleolar protein. This fusion transposase partially localized to nucleoli and insertions catalyzed by this transposase were found to be enriched in nucleolus organizer regions (NORs) and nucleolus-associated domains (NADs).
The aim of a second side project was increasing the ratio between homology-directed repair (HDR) and non-homologous end-joining (NHEJ) at Cas9-mediated double-strand breaks (DSBs). To achieve this, Cas9 was fused to DNA-interacting domains and corresponding binding sequences were fused to the homology donors. While an increased HDR/NHEJ ration could be observed for the fusion proteins, it was not dependent on the presence on the binding sequences in the donor molecules.
Die Aufdeckung krankheitsbedingter Unterschiede und die Identifizierung neuer Biomarker sind essenziell für Diagnose und Behandlung verschiedener Erkrankungen. Unterschiede zwischen Erkrankungen können u.a. durch Analyse des Lipidprofils aufgedeckt werden, da dieses eng mit dem Phänotyp verknüpft ist. Ein unvoreingenommenes Screening gewährt einen umfassenderen Einblick in den metabolischen Zustand als eine gezielte Untersuchung weniger Analyten und kann neue Hypothesen generieren. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Screening-Methode zur untargeted Untersuchung des Lipidoms in biologischen Proben entwickelt. Durch die Kombination aus Umkehrphasenchromatographie und hochauflösender Massenspektrometrie mit datenabhängiger Aufnahme von MS/MS-Spektren konnten in Humanplasma 440 Lipide aus mehr als 15 Lipidklassen identifiziert werden. Die mehrstufige Identifizierung der Analyten, basierend auf der exakten Masse ±5 ppm, der Isotopenverteilung, der MS/MS-Fragmentierungsmuster in beiden Ionisationsmodi sowie der chromatographischen Auftrennung von Isomeren und Isobaren, erfolgte mit hoher Selektivität. Mit der vorgestellten Methode können sowohl Lipidklassen als auch einzelne Lipide relativ zu den internen Standards quantifiziert werden.
Der Probendurchsatz wurde erhöht, um den Einsatz der Methode im Rahmen größerer klinischer Studien zu ermöglichen und vorhandene Ressourcen effizient einzusetzen. Dabei wurden die Inkubationszeiten während der Flüssig-Flüssig-Extraktion mit MTBE:Methanol deutlich reduziert und die Handhabung vereinfacht bei gleichbleibend hoher Wiederfindung. Der hohe Probendurchsatz wird weiter unterstützt durch die kurze chromatographische Laufzeit von 17 min pro Ionisationsmodus. Die Auswertung der Ergebnisse ist der heikelste und zeitintensivste Schritt bei der Entwicklung und Anwendung von Screening-Methoden, deshalb wurde der Arbeitsablauf zur univariaten Analyse durch Entwicklung von R Skripten vereinfacht und beschleunigt.
Die Qualität und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse sind essenziell. Aus diesem Grund wurde die Qualität der entwickelten Methode, angelehnt an den strikten Vorgaben der FDA und EMA zur Validierung von quantitativen Methoden, sichergestellt, obwohl eine Methodenüberprüfung im Bereich von untargeted Methoden nicht verbreitet ist. Die Reproduzierbarkeit der relativen Lipidkonzentrationen konnte z.B. durch die Messung von Kontrollplasmaproben über einen Zeitraum von 10 Monaten gezeigt werden. Außerdem wurde die Linearität der Verdünnung von Plasmaproben bestätigt und eine Verschleppung in darauffolgende Proben ausgeschlossen. Die Stabilität der Proben muss in jeder Messphase inklusive der Präanalytik durch geeignete Untersuchungen und Maßnahmen sichergestellt werden. Anhand einer Studie zur präanalytischen Stabilität humaner Blutproben konnte ein Protokoll zur Probennahme und -vorbereitung für weitere klinische Studien erarbeitet werden. Die Stabilität des Lipidoms in Vollblut und Plasma konnte durch den Einsatz von Natriumfluorid/Citrat als Antikoagulans verbessert werden. Auch die Stabilität der Proben während der Lipidextraktion und Messung konnte gezeigt werden. Es wurden 16 verschiedene Probenarten analysiert, darunter Plasmaproben, verschiedene Mausgewebe und Zellpellets.
Mit der entwickelten Methode wurden die Unterschiede im Lipidprofil im Plasma und Gewebe von Mäusen mit einer akuten Entzündung durch LPS bzw. Zymosan-Injektion aufgedeckt. Dabei wurden die Ether-Phosphatidylcholine als potenzielle Entzündungsmarker identifiziert. Die entwickelte Methode wurde außerdem erfolgreich im Rahmen anderer Arbeiten für die Untersuchung verschiedener Erkrankungen angewendet.
In der vorliegenden Arbeit wird demnach eine schnelle, reproduzierbare und vor allem selektive LC-MS-Screening-Methode vorgestellt, die Veränderungen des Lipidstoffwechsels aufdecken und potenzielle Biomarker identifizieren kann.
TNFR1 is a crucial regulator of NF‐ĸB‐mediated proinflammatory cell survival responses and programmed cell death (PCD). Deregulation of TNFα‐ and TNFR1‐controlled NF‐ĸB signaling underlies major diseases, like cancer, inflammation, and autoimmune diseases. Therefore, although being routinely used, antagonists of TNFα might also affect TNFR2‐mediated processes, so that alternative approaches to directly antagonize TNFR1 are beneficial. Here, we apply quantitative single‐molecule localization microscopy (SMLM) of TNFR1 in physiologic cellular settings to validate and characterize TNFR1 inhibitory substances, exemplified by the recently described TNFR1 antagonist zafirlukast. Treatment of TNFR1‐mEos2 reconstituted TNFR1/2 knockout mouse embryonic fibroblasts (MEFs) with zafirlukast inhibited both ligand‐independent preligand assembly domain (PLAD)‐mediated TNFR1 dimerization as well as TNFα‐induced TNFR1 oligomerization. In addition, zafirlukast‐mediated inhibition of TNFR1 clustering was accompanied by deregulation of acute and prolonged NF‐ĸB signaling in reconstituted TNFR1‐mEos2 MEFs and human cervical carcinoma cells. These findings reveal the necessity of PLAD‐mediated, ligand‐independent TNFR1 dimerization for NF‐ĸB activation, highlight the PLAD as central regulator of TNFα‐induced TNFR1 oligomerization, and demonstrate that TNFR1‐mEos2 MEFs can be used to investigate TNFR1‐antagonizing compounds employing single‐molecule quantification and functional NF‐ĸB assays at physiologic conditions.
In optogenetischen Anwendungen, welche die Manipulation von zellulären Aktivitäten durch Licht ermöglichen, werden die Eigenschaften von mikrobiellen Rhodopsinen, einer Familie natürlich vorkommender lichtgesteuerter Proteine, ausgenutzt.
In der vorliegenden Arbeit wurden die einwärts transportierende Protonenpumpe NsXeR, sowie die auswärts Natriumionenpumpe KR2 untersucht. Des Weiteren wurden Tandem Proteine betrachtet, die mikrobielle Rhodopsine kombinieren mit dem Chemokinrezeptor CXCR4, der durch SDF1 aktiviert und anschließend in Endosomen internalisiert wird.
Für die Untersuchung des Mechanismus, der die Vektorialität in NsXeR bestimmt, wurde eine umfassende elektrophysiologische Studie durchgeführt. In Patch Clamp Messungen an NsXeR exprimierenden NG108-15 Zellen wurden bei kontinuierlicher 561 nm Beleuchtung aktive Einwärtsströme entgegen eines elektrochemischen Gradienten gemessen. Ein Einfluss des intrazellulären pHs auf die steady-state Ströme und deren Abfallkinetik konnte nicht festgestellt werden. Der Vergleich der exponentiellen Abfallrate k2 mit den Übergängen im NsXeR Photozyklus, lässt den Schluss zu, dass der ratenlimitierende Schritt der MII Zerfall ist.
Die elektrogenen Schritte im NsXeR Photozyklus wurden mit elektrischen Messungen an der black lipid membrane (BLM) an NsXeR Proteoliposomen bestimmt. Die Belichtung mit 20 ns Lichtpulsen bei 556 nm rufen Spannungssignale hervor, die exponentiell gefittet wurden, wobei drei elektrogene Schritte identifiziert werden konnten. Bei pH 7.4 betrugen die ermittelten Zeitkonstanten etwa 220 µs, 1 ms und 15 ms, denen 42%, 10% und 48% an der Gesamtladungsverschiebung zugeordnet wurden. Die elektrogenen Schritte konnten den Übergängen im Photozyklus zugeordnet werden, wobei der erste Schritt mit t1 dem MI Aufbau (Deprotonierung Schiff’sche Base, Protonenabgabe zur intrazellulären Seite) zugeschrieben wurde. t2 wurde dem MI→MII Übergang (Switch, Zugänglichkeitsänderung vom Intra- zum Extrazellulären) zugeordnet und t3 korreliert mit dem MII Zerfall (Reprotonierung Schiff’sche Base, Protonenaufnahme von der extrazellulären Seite).
Die Kinetik und der Ladungstransportanteil des zweiten elektrogenen Schritts haben keine starke pH Abhängigkeit, was sich dadurch erklären lässt, dass t2 durch eine Konformationsänderung bestimmt wird. t1 und t3 werden bei höheren pH Werten beschleunigt, was sich bei t1 mit einer erleichterten intrazellulären Protonenabgabe erklären lässt. Für t3 wurde eine Reprotonierung durch eine Donor Gruppe Asp76 vorgeschlagen. Die pH-sensitive Änderung der relativen Ladungstransferanteile des ersten und dritten elektrogenen Schrittes (∆ΨI und ∆ΨIII) wurden durch eine mögliche Verzögerung der frühen Protonenabgabe bei niedrigen pH Werten erklärt.
Der mutmaßliche Protonenakzeptor Asp220 wurde gegen Asn und Glu ausgetauscht und in Patch Clamp sowie UV-Vis Spektroskopie Messungen untersucht. Für D220N wurden keine Pumpströme und kein Einfluss auf die maximale Absorptionswellenlänge λmax festgestellt. D220E dagegen führte zu einer Erniedrigung des pKa-Werts der Schiff’schen Base und zu einer Verminderung der Iss-Abfallsrate k2 in Patch Clamp Dauerbelichtungsmessungen (D220E k2 = 27.1 ± 1.8 Hz, Wildtyp k2 = 83.1 ± 2.6 Hz). Daraus konnte geschlossen werden, dass Asp220 wesentlich für den Protonentransport ist und nicht als Gegenion für die protonierte Schiff’sche Base dient.
In Patch Clamp Experimenten bei 561 nm Dauerbelichtung und zusätzlicher gepulster Belichtung bei 355 nm wurde der Blaulichteffekt an NsXeR untersucht, bei dem Proteine im M Intermediat ein Photon absorbieren und unter Reprotonierung der Schiff’schen Base in den Grundzustand zurückkehren.
Für NsXeR konnte eine Potentialabhängigkeit für die Richtung der transienten Ströme, die durch die
355 nm Belichtung hervorgerufen wurden, festgestellt werden. Beim NsXeR Blaulichteffekt scheint eine
Reprotonierung der Schiff’schen Base von beiden Seiten möglich zu sein, was auf die unterschiedlichen Zugänglichkeiten in den beiden M Zuständen MI und MII zurückgeführt wurde. Es wurde ein Modell vorgeschlagen, welches auf einem potentialabhängigen Gleichgewicht zwischen MI und MII basiert.
In Patch Clamp Messungen an KR2 exprimierenden NG108-15 Zellen wurden die Pumpströme untersucht, die durch den auswärts Transport von Na+ und H+ hervorgerufen wurden. Die Na+-Konzentrationen der intra- und extrazellulären Lösungen wurden symmetrisch variiert und die steady-state Ströme Iss bei 532 nm Dauerbelichtung betrachtet. Mit steigender Na+-Konzentration zeigte sich ein Übergang von einer linearen Potentialabhängigkeit der Iss, zu einem sättigungsähnlichen Verhalten bis hin zu einer fast glockenförmigen Form. Da die exponentielle Abfallrate der steady-state Ströme k2 in ihrer Potentialabhängigkeit mit den Iss korrelierte, konnte geschlossen werden, dass die Ströme überwiegend kinetisch limitiert sind. Die Erhöhung der Rate k2 mit steigender Na+-Konzentration zwischen -120 mV und -60 mV deutet darauf hin, dass die Na+-Aufnahme von der intrazellulären Seite bei diesen Bedingungen die Limitierung für die Pumpe darstellt.
Unter Na+-“freien” Bedingungen wurde der Einfluss des intrazellulären pHs untersucht. Für die Rate k2 wurde eine Erhöhung bei niedrigen pH Werten festgestellt und die Potentiale E0 (Iss = 0 pA) verschoben bei niedrigem intrazellulärem pH zu hyperpolarisierenden Potentialen. Daraus lässt sich schließen, dass die steady-state Ströme durch den Transport von Protonen hervorgerufen wurden.
In Messungen mit gepulster 530 nm Belichtung wurden die transienten Pumpströme gemessen und durch exponentielles Fitten des Stromabfalls drei elektrogene Schritte identifiziert. Eine Abhängigkeit vom Potential und der Na+-Konzentration konnte nur für den dritten Schritt mit der Rate 1/τ3 festgestellt werden, wobei 1/τ3 mit der Na+-Konzentration und bei positiveren Potentialen steigt. Unter Na+-“freien” Bedingungen steigt 1/τ3 auch mit niedrigeren intrazellulären pH Werten. Die elektrogenen Schritte wurden dem KR2 Photozyklus zugeordnet, wobei ein Modell angewendet wurde, das einen M1→M2 Übergang einführt. Diesem wurde der zweite elektrogene Schritt zugeordnet. Die relativen Ladungstransportanteile Q2 und Q3 des zweiten und dritten elektrogenen Schrittes sind sowohl potential- als auch Na+-abhängig. Um dieses Verhalten zu erklären, wurde ein Modell vorgeschlagen, bei dem ein Ausgleichsladungstransfer in Form von einer Protonenabgabe und -wiederaufnahme während des Photozyklus eingeführt wurde.
In Patch Clamp Messungen wurde die erhaltene Funktionalität der ChR2 Mutante ChR2(L132C) mit erhöhter Ca2+-Permeabilität im Tandem Protein tCXCR4/CatCh nachgewiesen. Auch die Internalisierung von tCXCR4/CatCh konnte anhand der zeitabhängigen Abnahme des CatCh-Signals nach der CXCR4-Aktivierung durch SDF1 in Strommessungen beobachtet werden. Für tCXCR4/Arch, ein Tandem Protein mit einer Protonenpumpe, wurde die SDF1-induzierte Internalisierung mit Hilfe der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie betrachtet und eine Kolokalisierung der Fluoreszenz des im Tandem exprimierten YFP und der eines gelabelten CXCR4-spezifischen Antikörpers in intrazellulären Vesikeln beobachtet. Bei Behandlung mit dem CXCR4 Antagonisten AMD3100 wurde die Kolokalisierung hauptsächlich in der Zellmembran festgestellt, da die Internalisierung blockiert war. Die Tandem Protein könnten als in intrazellulären Organellen wirkende optogenetische Werkzeuge eingesetzt werden für z.B. die Manipulation der intrazellulären Ca2+-Konzentration.
Over the last decade, cryo-EM has developed exponentially due to improvements in both hardware (“machine”-based) and software (“algorithm”-based). These improvements have pushed the best achievable resolutions closer to atomic level, bridging “gaps” not covered by other biophysical techniques, and allowing more difficult biological questions to be addressed. Thus, this PhD project was designed and constructed to apply cryo-EM to answer biological questions, while allowing simultaneous cryo-EM method development.
The biological focus of this research is pentameric ligand-gated ion channels (pLGICs), specifically the serotonin receptor type-3 receptor (5HT3R), which also belongs to the Cys-loop receptor family. 5HT3R plays an important role in fast synaptic signal transduction in response to agonist and antagonist binding. Binding to its native ligand results in opening of the channel at the transmembrane domain, allowing cations to pass through, resulting in membrane depolarization and conversion of the chemical signal into an electrical one.
This work consisted mainly of two specific aims. One was focused on conformational investigation of 5HT3R in its ligand-bound open conformation, using cryo-electron microscopy (cryo-SPA), in order to understand the gating mechanism upon ligand activation. The other one was to combine SPA with cryo-ET and STA to push the resolution limitation of conventional cryo-ET and STA workflows.
In the end, three different cryo-EM conformations of membrane-embedded 5HT3R were resolved using cryo-SPA, two structures in resting closed forms, one C5-symmetric and one C1-asymmetric, and one serotonin-bound open form. These three structures presented a number of novel features related to the transition of the receptor to its ion-conductive state. Specifically, the serotonin-bound receptor shows asymmetric opening, which was speculated to occur via an intermediate asymmetric Apo state. In addition to the cryo-SPA work, application of cryo-ET and STA to the study of 5HT3R in native vesicles is described in this thesis. Additional work on methods development, focused on combining SPA and STA techniques, along with preliminary results on tobacco mosaic virus are also detailed and discussed.
Moreover, previously unreported asymmetric arrangements of the subunits of the homopentameric 5HT3R around the pore axis were revealed. The asymmetric open state is stabilized by phospholipids inserted at the interface between subunits, at a site well-documented for the binding of allosteric pLGIC modulators. These results not only give structural support to a large body of functional data on the effects of lipids on the function of this receptor family, but also provide structural guidance for future studies in this field. Meanwhile, the SPA-STA combined methods developed during the course of this work have the potential to help resolve higher resolution tomography-based structures, which would benefit researchers seeking to do in-situ-based structural studies.
Background: Curcuminoids (curcumin, demethoxycurcumin, bis-demethoxycurcumin) are lipophilic polyphenols thought to be effective in the prevention and treatment of neurodegenerative disorders, of which mitochondrial dysfunction is a prominent feature. In particular, older people may thus benefit from increasing their curcuminoid intake. However until now, it is not investigated if there exist age differences in the bioavailability of curcuminoids and therefore, it is unclear if curcumin doses have to be adjusted to age. Thus, we explored if the tissue concentrations and biological activities of curcuminoids are affected by age.
Methods: We investigated age-differences in the bioavailability and tissue distribution of curcuminoids and mitochondrial function in 3- and 18-months old mice fed a control diet or identical diets fortified with 500 or 2000 mg curcuminoids/kg for 3 weeks. Therefore, we measured curcuminoid concentrations in plasma, liver, kidney, and brain, basal and stress-induced levels of adenosine triphosphate (ATP) and mitochondrial membrane potential (MMP) in dissociated brain cells and citrate synthase activity of isolated mitochondria.
Results: Plasma but not liver and kidney curcuminoid concentrations were significantly higher in older mice. Age did not affect ATP concentrations and MMP in dissociated brain cells. After damaging cells with nitrosative stress, dissociated brain cells from old mice had a higher MMP than cells from young animals and were therefore more resistant. Furthermore, this effect was enhanced by curcumin.
Conclusion: Our data suggest that age may affect plasma concentrations, but not the tissue distribution of curcuminoids in mice, but has little impact on mitochondrial function in brain cells.
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.
5‐Lipoxygenase (5‐LO) is the initial enzyme in the biosynthesis of leukotrienes, which are mediators involved in pathophysiological conditions such as asthma and certain cancer types. Knowledge of proteins involved in 5‐LO pathway regulation, including gene regulatory proteins, is needed to evaluate all options for therapeutic intervention in these diseases. Here, we present a mass spectrometric screening of ALOX5 promoter‐interacting proteins, obtained by DNA pulldown and label‐free quantitative mass spectrometry. Protein preparations from myeloid and B‐lymphocytic cell lines were screened for promoter DNA interactors. Through statistical analysis, 66 proteins were identified as specific ALOX5 promotor binding proteins. Among those, the 15 most likely candidates for a prominent role in ALOX5 gene regulation are the known ALOX5 interactors Sp1 and Sp3, the related factor Sp2, two Krüppel‐like factors (KLF13 and KLF16) and six other zinc finger proteins (MAZ, PRDM10, VEZF1, ZBTB7A, ZNF281 and ZNF579). Intriguingly, we also identified two helicases (BLM and DHX36) and the proteins hnRNPD and hnRNPK, which are, together with the protein MAZ, known to interact with DNA G‐quadruplex structures. As G‐quadruplexes are implicated in gene regulation, spectroscopic and antibody‐based methods were used to confirm their presence within the GC‐rich sequence of the ALOX5 promoter. In summary, we have systematically characterized the interactome of the ALOX5 promoter, identifying several zinc finger proteins as novel potential ALOX5 gene regulators. Further, we have shown that the ALOX5 promoter can form DNA G‐quadruplex structures, which may play a functional role in ALOX5 gene regulation.
Schätzungen zufolge sind weltweit etwa 71 Millionen Menschen chronisch mit dem Hepatitis-C-Virus (HCV) infiziert. Im Jahre 2016 sind rund 400.000 Menschen an einer HCV-bedingten Lebererkrankung gestorben, insbesondere aufgrund der Entwicklung von Leberzirrhose und Lebertumoren. Trotz der großen Unterschiede in den Prävalenzschätzungen und der Qualität der epidemiologischen Daten zeigt die jüngste weltweite Bewertung, dass die virämische Ausbreitung der HCV-Infektion (Prävalenz der HCV-RNA) in den meisten Industrieländern, einschließlich der USA, weniger als 1,0% beträgt (www .cdc.gov / Hepatitis / HCV). In einigen osteuropäischen Ländern wie Lettland (2,2%) oder Russland (3,3%) und bestimmten Ländern in Afrika, Ägypten (6,3%) und Gabun (7,0%) oder im Nahen Osten Syriens (3,0%) ist die Prävalenz bemerkenswert höher. In den USA und den am weitesten entwickelten Ländern gilt die gemeinsame Nutzung von Werkzeugezur Herstellung von Arzneimitteln und zur Injektion von Medikamenten (Nadeln) als die häufigste derzeitige Übertragungsart. Die vorherrschende Übertragungsart in Ländern, in denen die Ausbreitung von HCV-Infektionen im Vergleich zu den Industrieländern höher ist, beruht jedoch auf schlechten Methoden zur Infektionskontrolle und unsicherer Handhabung von Injektionsnadeln.
Wenn die chronische Infektion unbehandelt bleibt, kann sich im fortschreitenden Verlauf eine Zirrhose oder ein hepatozelluläres Karzinom bilden (Alter H. J. und Seef L. B. 2000). Die Doppeltherapie, bei der es sich um eine Kombination aus pegyliertem Interferon-α (PEG IFNα) und Ribavirin (riba) handelt, war in einigen Ländern der Dritten Welt bis vor kurzem der goldene Standard für die Behandlung von Patienten mit chronischer Hepatitis C und hat eine anhaltende virologische Reaktion erzielt. Mit nur 50% der mit HCV-Genotyp 1 infizierten Patienten (der häufigere) im Vergleich zu 80% mit Genotyp 2 oder 3, obwohl sie kostspielig und langwierig sind (z. B. 24-48 Wochen) und zahlreiche harte Nebenwirkungen aufweisen, die schwer zu bekämpfen sind tolerieren (Erklärung der National Institutes of Health Consensus Development Conference: Management von Hepatitis C: 2002 - 10.-12. Juni 2002 2002). Die Identifizierung des JFH1 (japanische fulminante Hepatitis Typ 1) -Isolats wurde in einigen in vitro-Studien zu HCV als wichtiger Durchbruch bei der HCV-Behandlung angesehen. Die Verwendung dieses Isolats führte nachfolgend zu einem besseren Verständnis des HCV-Lebenszyklus und der 3D-Strukturen der viralen Proteine. Basierend auf dieser Erkenntnis konnten die ersten direkt wirkenden antiviralen Mittel (DAAs) entwickelt werden, die spezifisch virale Proteine beeinflussen. Die beiden Proteasehemmer (PI) Telaprevir und Boceprevir hemmen die virale NS3-4A-Protease und wurden 2011 als Kombinationstherapie mit PEG IFNα und Ribavirin zugelassen, was die anhaltende virologische Reaktion auf 67-75% erhöhte (Pawlotsky et al. 2015).
Die Optimierung der gegenwärtigen Arzneimittelregime, die Einschränkung des Problems der Mutationsresistenz, die Gestaltung einer individualisierten Therapie, der Zugang zu diesen therapeutischen antiviralen Arzneimitteln und ihr hoher Preis bleiben weiterhin eine Herausforderung (Pawlotsky 2016; Pawlotsky et al. 2015; Sarrazin 2016). Die Entwicklung eines Impfstoffs wird jedoch als größte Herausforderung für die weltweite Kontrolle von HCV angesehen (Bukh 2016). Aus diesem Grund ist es wichtig, weiterhin mehr über den HCV-Lebenszyklus und die Faktoren zu erfahren, die sich auf die Replikation und den gesamten Lebenszyklus auswirken können, um effiziente, qualitativ hochwertige und vor allem leicht zugängliche Behandlungen für alle Menschen weltweit zu entwickeln.
Der Lipidstoffwechsel und insbesondere das Cholesteringleichgewicht werden durch die HCV-Infektion beeinflusst. Die Korrelation zwischen Lipidstoffwechsel und HCV wurde klinisch seit langem beobachtet. In den Leberbiopsien von mit HCV infizierten Patienten wurde ein Anstieg der in den Lipidtröpfchen im Cytosol akkumulierten neutralen Lipide festgestellt (Dienes et al. 1982). Das Hepatitis-C-Virus wurde auch von Hypobetalipoproteinämie, Hypocholesterinämie und Lebersteatose begleitet (Schaefer und Chung 2013). Die Leber ist der primäre Ort für die Synthese, Speicherung und Oxidation von Lipiden und anderen Makromolekülen. Daher ist der Fettstoffwechsel in der Leber für die Aufrechterhaltung der systemischen Nährstoffhomöostase von wesentlicher Bedeutung. Eine Dysregulation des Leberlipidstoffwechsels ist ein Kennzeichen mehrerer Krankheiten wie Diabetes, alkoholische und nichtalkoholische Fettlebererkrankungen sowie parasitäre und virale Infektionen, einschließlich einer HCV-Infektion. (Erklärung der National Institutes of Health Consensus Development Conference: Management von Hepatitis C: 2002 - 10.-12. Juni 2002 2002; Fon Tacer und Rozman 2011; Chen et al. 2013; Reddy und Rao 2006; Visser et al. 2013; Wu und Parhofer 2014)
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Human protein kinases play essential roles in cellular signaling pathways and - if deregulated - are linked to a large diversity of diseases such as cancer and inflammation or to metabolic diseases. Because of their key role in disease development or progression, kinases have developed into major drug targets resulting in the approval of 52 kinase inhibitors by the Food and Drug Administration (FDA) so far.
Within the drug discovery process, the affinity of the inhibitors is the parameter that is used most often to predict the later efficacy in humans. However, the kinetics of binding have recently emerged as an important but largely neglected factor of kinase inhibitor efficacy. To efficiently suppress a signaling pathway, the targeted kinase needs to be continuously inhibited. Thus, it has been hypothesized that fast binding on-rates and slow off-rates would be the preferred property of an efficacious inhibitor. Despite optimizing the potency of kinase inhibitors, in the past decade optimization of kinetic selectivity has therefore gained interest as a molecule cannot be active unless it is bound, as Paul Ehrlich once stated. There is increasing evidence of correlations between prolonged drug-target residence time and increased drug efficacy, and that inhibitor selectivity in cellular contexts can be modulated by altered residence times. In order to contribute to the understanding of the effect of long residence times on cellular targets we initiated two projects.
The first of these projects is related to the STE20 kinase Serine/threonine kinase 10 (STK10) and its close relative STE20 like kinase (SLK) which have been reported to be frequent off-targets for kinase inhibitors used in the clinics. Also, an inhibition of STK10 and SLK has been linked to a common side-effect of severe skin rash developed upon treatment with the EGFR inhibitor erlotinib, but not gefitinib and the severity of this rash correlated with the treatment outcome, which fits the known biology of STK10 and SLK to be regulators of lymphocyte migration and PLK kinases. However, there are yet no explanations why these two proteins show such high hit-rates across the kinome among the kinase inhibitors. Using structural analysis, we identified the flexibility of STK10 to be the main reason for this hit-rate. The observed strong in vitro potencies did however not translate to the cellular system which is why we investigated the inhibitors residence time on STK10. We found the same flexibility to be the main reason for slow residence times among several inhibitors. We observed large rearrangements in the hydrophobic backpocket of STK10 including the αC, the P-loop enclosing the inhibitor like a lid and strong π-π-stackings to be the main reasons for prolonged residence times on STK10. Interestingly, we observed an increased residence time for erlotinib, which showed skin-related side-effects, giving rise whether the binding kinetics should be investigated for weak cellular off-target effects in future drug discovery efforts.
In the second project we initiated, we illuminate a structural mechanism that allows kinetic selection between two closely related kinases, focal adhesion kinase (FAK) and proline-rich tyrosine kinase 2 (PYK2). Using an inhibitor series designed to probe the mechanism, residence times measured in vitro and in cells showed a strong correlation. Crystal structures and mutagenesis identified hydrophobic interactions with L567, adjacent to the DFG-motif, as being crucial to kinetic selectivity of FAK over PYK2. This specific interaction was observed only when the DFG-motif was stabilized into a helical conformation upon ligand binding to FAK. The interplay between the protein structural mobility and ligand-induced effect was found to be the key regulator of kinetic inhibitor selectivity for FAK over PYK2.
These two projects showed that the parameter residence time should be considered for different problems among the drug discovery process. First, in an open in vivo system not only the potency of a drug alone, but as well its residence time might be of importance. Here we showed that the weak cellular potency translated to prolonged residence times for several inhibitors in cells and established a link between the phenotypic outcome of skin rash after erlotinib treatment and the residence time of this inhibitor on STK10 in cells. On the other hand, medicinal chemistry efforts should consider structure kinetic relationships (SKR) in the optimization process and aim to understand the molecular basis for prolonged target residence times. Here, we showed that a hydrophobic interaction that is enforced upon inhibitor binding is crucial for an unusual helical DFG conformation which arrests the inhibitor and prolongs its residence time providing the molecular basis for understanding the kinetic selectivity of two closely related protein kinases. Establishing the SKRs will help medicinal chemists to kinetically optimize their drug candidates to select a suitable molecule to proceed into further optimization programs. Hence, the projects showed that the target residence time parameter needs to be considered both as a molecular optimization parameter to improve compound potency and binding behavior as well as a parameter to be understood for proceeding to the open system of in vivo models to later modulate the in vivo efficacy of protein kinase targeting drugs.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollten neue Synthesemethoden für den schnellen und effizienten Aufbau von molekularer Komplexität ausgehend von Enamiden als zentrale Synthesebausteine entwickelt werden. Dabei konnten insgesamt fünf unterschiedliche Reaktionen entwickelt werden, die die Synthesen nützlicher Bausteine, wie z.B. β-Amidosulfone 127 oder 1,3-Diamide 128, und neuartiger Heterocyclen ermöglichen. Insgesamt konnte so in einem diversität-orientierten Ansatz, die selektive Bildung von bis zu fünf stereogenen Einheiten ausgehend von einfachen, acyclischen Startmaterialen ermöglicht werden.
Metall-vermittelte Sulfonierungen von Enamiden mittels Sulfinatsalzen:
Im ersten Abschnitt sollten Enamide für die Synthese von Sulfonen eingesetzt werden. Dabei konnte, abhängig vom Katalysatorsystem, sowohl eine C-(sp2)-H Sulfonylierung (Schema 5-1-a.)) als auch eine Oxysulfonylierung (Schema 5-1-b.)) entwickelt werden. Durch die Verwendung von Mn(OAc)3.2 H2O wurden selektiv (E)-konfigurierteβ-Amidovinylsulfone 126 erhalten. Die Reaktion ist unempfindlich gegenüber Luft und Wasser, was sie besonders einfach in der Durchführung macht. Zudem besitzt sie eine große Substratbreite und bietet durch die Kombination mit klassischer Organometallchemie mit einem Isomerisierung-Sulfonierungs-Protokoll eine interessante Alternative zur C-H Sulfonylierung von Enamiden. Auf Grundlage dieser Reaktion sollte, durch zusätzliches Abfangen eines intermediär gebildeten Acylimins durch einen Alkohol, auch eine Oxysulfonierung entwickelt werden. In der Tat konnte durch die Verwendung von Fe(NO3)3∙9 H2O eine entsprechende 3-Komponentenreaktion zu β-Amidosulfonen 127 mit zwei stereogenen Zentren etabliert werden.
Diese Verbindungen versprechen vor allem durch ihr hohes Vorkommen als Schlüsselmotiv in biologisch aktiven Substanzen ein hohes Anwendungspotential. Die Reaktion verfügt über eine breite Substratbreite und ist analog zur Mangan-vermittelten Variante einfach in der Durchführung. Die erhaltenen sulfonierten N,O-Acetale 127 können zudem in die entsprechende Imine überführt und mit einem geeigneten Nukleophil abgefangen werden. So lässt sich z.B. das Methylfuran-Derivat 177a darstellen, welches durch eine oxidative Spaltung in die geschützte Aminosäure 178 überführt werden kann.
Addition von Enamiden und Enimiden an N-Acylimine:
Aufbauend auf der zweistufigen Reaktionssequenz zum Aufbau von 1,3-Diamiden 128 über die Addition von Enamiden 29 an N-Acylimine 131 und anschließender Umsetzung mit einem Nukleophil, konnte die Synthese zu einer Eintopf-Reaktion weiterentwickelt werden (siehe Schema 5-3-c.).
Als Katalysator für beide Reaktionsschritte zeigte Bi(OTf)3 als luft- und wasserstabiler Katalysator die besten Ausbeuten und Selektivitäten. Dabei werden selektiv 1,2-anti-2,3- anti-konfigurierte 1,3-Diamide 128 mit drei fortlaufenden Stereozentren erhalten. Vorteile dieser Methode sind, neben einer einfachen Durchführbarkeit, die simple Skalierbarkeit sowie die Toleranz einer Vielzahl unterschiedlicher funktioneller Gruppen in der Reaktion. So konnten durch Variation aller drei Komponenten über 30 Beispiele der gewünschten 1,2-anti-2,3-anti-konfigurierten 1,3-Diamide 128 dargestellt werden. Die hier entwickelte Eintopf-Reaktion stellt somit eine wichtige Erweiterung zu bestehenden 1,3-Diamidsynthesen dar. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass ausgehend von Phthaloyl-basierten Enimiden 125 die nur schlecht darstellbare Substanzklasse der Dihydropyrimido[2,1-a]isoindol-6(2H)-one 129 hergestellt werden kann (siehe Schema 5-3-d.). Dieses neuartige heterocyclische Motiv wurde bisher kaum auf seine biologische Aktivität hin untersucht und verspricht daher ein interessantes Anwendungsfeld. Insgesamt weisen die erhaltenen Verbindungen drei fortlaufende Stereozentren auf, wobei sie in guten bis sehr guten Ausbeuten diastereomerenrein erhalten werden konnten. Dabei lässt sich der hohe Grad an Stereoselektivität durch eine [4+2] Cycloaddition zwischen dem in situ erzeugten N-Acylimin 131 und einem Enimid 125 zu einem Oxazin 132, gefolgt von einer Säure-vermittelten Umlagerung, erklären. Durch Variation der Enimid- und Acyliminkomponente konnten insgesamt 27 neuartige Dihydropyrimido[2,1-a]isoindol-6(2H)-one 129 synthetisiert werden.
Addition von Enamiden an Aldehyde – Stereoselektive Synthese
pentasubstituierter Tetrahydropyrane:
Im letzten Teil der Arbeit sollte, analog zur stereodivergenten Synthese von 1,3- Diaminen, durch Addition von Enamiden an Aldehyde, die jeweiligen 1,3-Aminoalkohole dargestellt werden. Interessanterweise wurde in dieser Transformation die selektive Bildung eines pentasubstituierten Tetrahydropyrans beobachtet. Dabei werden in einem Schritt drei neue σ-Bindungen und fünf fortlaufende Stereozentren aufgebaut. Bemerkenswert ist zudem der außerordentlich hohe Grad an Stereoselektivität, da von 16 möglichen Diastereomeren nur eines gebildet wird. Durch Variation der Aldehyd- und Enamidkomponente ließen sich insgesamt 23 verschiedene Tetrahydropyrane in guten bis sehr guten Ausbeuten und exzellenter Diastereoselektivitäten darstellen. Der Einsatz (Z)-konfigurierter Enamide erlaubte zudem die Synthese eines weiteren Diastereomers 262b, welches sich in der relativen Konfiguration an C5 von 262a unterscheidet.
Insgesamt zeigen die in dieser Arbeit entwickelten Reaktionen die enorme Anwendungsbreite von Enamiden in der stereoselektiven Synthese. So konnten in einfach durchführbaren Transformationen aus simplen Startmaterialien bis zu fünf benachbarte stereogene Einheiten aufgebaut werden. Dabei zeigt die Vielfalt der erhaltenen Verbindungen gleichsam die unterschiedlichen Reaktionsmodi der Enamideinheit 29 (siehe Kapitel 1.2). Daher werden, besonders bei der Entwicklung neuer Synthesemethoden für acyclische, stickstoffhaltige Verbindungen mit mehreren fortlaufenden Stereozentren, Enamide auch in Zukunft noch ein interessantes Forschungsfeld bleiben.
Hintergrund: Die Komplexität einer medikamentösen Behandlung steigt mit der Anzahl der Medikamente, der Einzeldosen und der Darreichungsformen und bedroht dadurch die Adhärenz der Patienten. Patienten mit Multimorbidität benötigen oft flexible, individualisierte Behandlungsschemata. Häufige Medikationsänderungen im Verlauf der Behandlung können jedoch die Komplexität einer Therapie weiter erhöhen.
Ziel: Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, Medikationsveränderungen bei älteren Patienten mit Multimorbidität und Multimedikation in der hausärztlichen Praxis zu beschreiben und deren Abhängigkeit von soziodemographischen und weiteren Merkmalen zu untersuchen. Zudem sollten die Medikationsveränderungen in den Daten der cluster-randomisierten kontrollierten PRIMUM-Studie (Priorisierung der MUltimedication in Multimorbidity) analysiert werden, um Effekte der komplexen PRIMUM-Intervention zu untersuchen und damit einen Beitrag zur Prozessevaluation zu leisten.
Methoden: In der vorliegenden Arbeit wurden Daten der PRIMUM-Studie, die in 72 Allgemeinpraxen durchgeführt wurde, retrospektiv analysiert. Dazu wurde ein Algorithmus entwickelt, der die Wirkstoffe, die Wirkstärke, die Dosierung und die Darreichungsform zur Beurteilung von Änderungen an der von Ärzten berichteten Medikationsdaten während zweier Intervalle (Basiswert bis sechs Monate: Δ1; sechs bis neun Monate: Δ2) untersucht. Diese Veränderungen wurden auf Verordnungs- und Patientenebene deskriptiv sowie auf die Assoziation zu soziodemographischen und Versorgungsmerkmalen uni- und multivariat analysiert und auf Interventionswirkungen überprüft.
Ergebnisse: Von 502 Patienten (im Durchschnitt 72 Jahre, 52% weiblich) beendeten 464 die Studie. Medikationsveränderungen traten bei 98,6% der Patienten auf. Die maximale Anzahl an Medikationsänderungen pro Patient betrug 21 in Δ1 und 20 in Δ2. Die Gesamtzahl der Medikamente pro Patient blieb dabei weitgehend konstant und betrug im Median zu allen drei Messzeitpunkten 8 (IQR an T0 und IQR an T1: 6-9 und IQR an T2: 6-10). Änderungen bezogen auf den Wirkstoff während Δ1 und Δ2 traten bei 414 (82,5%) und 338 (67,3%) Patienten auf, Dosierungsänderungen bei 372 (74,1%) und 296 (59,2%) und in der Wirkstärke bei 158 (31,5%) bzw. 138 (27,5%). Die Darreichungsform wurde bei 79 (16%) der Patienten sowohl in Δ1 als auch in Δ2 geändert. Simvastatin, Ramipril, Metformin und Aspirin waren am häufigsten von Veränderungen betroffen. Am häufigsten verordnet waren ASS, Metoprolol und Bisoprolol sowie Simvastatin. Medikationsänderungen traten häufiger nach vorhergehenden Aufenthalten im Krankenhaus auf und Dosisreduktion war bei männlichen Patienten häufiger zu verzeichnen. In der Interventionsgruppe waren Medikationsänderungen um 19% wahrscheinlicher. Insbesondere waren Dosisreduktionen und das Ansetzen von neuen Medikamenten in der Interventionsgruppe signifikant häufiger.
Schlussfolgerungen: Bei älteren Patienten mit Multimedikation und Multimorbidität wurden die Therapiepläne häufig geändert. Auf Verordnungsebene ist dies hauptsächlich auf Absetzen und Dosisanpassungen zurückzuführen, gefolgt von Ansetzen und Wiederansetzen von Medikamenten. Dies kann die (longitudinale) Komplexität der Medikation für Patienten erhöhen und ggf. nachteilige Folgen für Therapieadhärenz und Arzneimitteltherapiesicherheit haben. Zudem wird deutlich, dass die medikamentöse Verordnungsqualität in querschnittlichen Erhebungen nicht zuverlässig beurteilt werden kann. In der PRIMUM-Studie wurden häufiger Änderungen in der Interventions- gegenüber der Kontrollgruppe vorgenommen - hauptsächlich das Ansetzen neuer Medikamente und Dosisreduktion. Damit konnten Effekte der komplexen Intervention gezeigt werden, die im Einklang mit den Zielen der Intervention zur Optimierung von Multimedikation steht.
Natural science is only just beginning to understand the complex processes surrounding transcription. Epitranscriptional regulation is in large parts conveyed by transcription factors (TFs) and two recently discovered small RNA (smRNA) species: microRNAs (miRNAs) and transfer RNA fragments (tRFs). As opposed to the fairly well-characterised function of TFs in shaping the phenotype of the cell, the effects and mechanism of action of smRNA species is less well understood. In particular, the multi-levelled combinatorial interaction (many-to-many) of smRNAs presents new challenges to molecular biology. This dissertation contributes to the study of smRNA dynamics in mammalian cells in several ways, which are presented in three main chapters.
I) The exhaustive analysis of the many-to-many network of smRNA regulation is reliant on bioinformatic support. Here, I describe the development of an integrative database capable of fast and efficient computation of complex multi-levelled transcriptional interactions, named miRNeo. This infrastructure is then applied to two use cases. II) To elucidate smRNA dynamics of cholinergic systems and their relevance to psychiatric disease, an integrative transcriptomics analysis is performed on patient brain sample data, single-cell sequencing data, and two closely related in vitro human cholinergic cellular models reflecting male and female phenotypes. III) The dynamics between small and large RNA transcripts in the blood of stroke victims are analysed via a combination of sequencing, analysis of sorted blood cell populations, and bioinformatic methods based on the miRNeo infrastructure. Particularly, importance and practicality of smRNA:TF:gene feedforward loops are assessed.
In both analytic scenarios, I identify the most pertinent regulators of disease-relevant processes and biological pathways implicated in either pathogenesis or responses to the disease. While the examples described in chapters three and four of this dissertation are disease-specific applications of miRNeo, the database and methods described have been developed to be applicable to the whole genome and all known smRNAs.
The p38α mitogen-activated protein kinase (MAPK) is activated through stress stimuli such as heat shock or hypoxia. In the nucleus, p38α modulates the activity of other kinases and transcription factors, a process that regulates the expression of specific target genes, most importantly pro-inflammatory cytokines. Dysregulation of p38α therefore plays a major role in the development of inflammatory diseases such as rheumatoid arthritis. Despite many years of intensive research, no p38 small-molecule inhibitors have been approved yet. Several inhibitor design strategies have been reported, leading to >100-fold selective compounds for α/β over the γ and δ isoforms. Achieving such a selectivity among the two structurally most related α and β isoforms, however, remains a challenging task. Targeting an inactive DFG-out conformation offers another strategy for the development of potent kinase inhibitors (type-II), exemplified by the BCR/ABL-inhibitor Imatinib. Achieving selectivity with type-II binders is challenging, because many kinases can adopt an inactive DFG-out conformation. This is exemplified by the p38 type-II inhibitor BIRB-796, which exhibits picomolar on-target affinity but only a poor kinome-wide selectivity. A potent and selective type-II chemical probe for p38α/β was still lacking at the start of this thesis.
The promising hit VPC-00628, was chosen for a combinatorial synthetic approach to develop a type-II chemical probe. The studies covered the optimization of the hinge-binding head group, the hydrophobic region I and the DFG-out deep pocket of the lead compound VPC-00628. Selectivity for the p38α and p38β isoforms was monitored during the optimization process, which identified several inhibitors with favorable isoform selectivity, providing valuable insights into the potential of isoform-selective inhibitor design for p38. A potent and highly selective p38 MAPK probe (SR-318) was discovered, which showed IC50 values in the low nanomolar range in HEK293T cells. An unusual P-loop conformation induced upon binding of SR-318 to p38α contributed most likely to the impressive selectivity profile within the kinome that surpassed both the parent compound and BIRB-796. A negative control compound, SR-321, was developed, to distinguish between on-target effects and non-specific effects due to cross-reactivity with other cellular proteins. Studies of the metabolic stability in human liver microsomes revealed a high stability of the compounds, with only a small amount of metabolites formed over several hours. Compound SR-318 also exhibited a good in vitro efficacy, quantitatively reducing the LPS-stimulated TNF-α release in whole blood. Taken together, SR-318 is a highly potent and selective type-II p38α/β chemical probe, which will help to gain a better understanding of the catalytic and non-catalytic functions of these key signaling kinases in physiology and pathology.
The next studies focused on the exploration of the highly dynamic allosteric back pocket of p38 MAPK, and allosteric BIRB-796 derived compounds for targeting the αC- and DFG-out pockets were synthesized. Kinase activities of allosteric pyrazole-urea fragments were analyzed against a comprehensive set of 47 diverse kinases by differential scanning fluorimetry (DSF), revealing that BIRB-796 off-targets remain a problem when targeting this back-pocket binding motif. Revisiting the recently published compound MCP-081, which combines the allosteric part of BIRB-796 with the active-site directed part of VPC-00628, showed that it displays a clean selectivity profile in our kinase panel. Because the potency of MCP-081 was slightly reduced compared with VPC-00628 and the allosteric tert-butyl pyrazole moiety seemed suboptimal, a set of VPC-00628 derivatives for targeting the αC-out pocket region was synthesized. Through structure-guided extension of the terminal amide of VPC-00628 toward this allosteric site, the potent and selective compound SR-43 was developed, which showed excellent cellular activity on p38 MAPK in NanoBRETTM assays (IC50 [p38α/β] = 14.0 ± 0.1/ 16.8 ± 0.1 nM). SR-43 showed a dose-dependent inhibition of activating phosphorylation of p38 in HCT-15 cells as well as inhibition of phosphorylation of p38 downstream substrates MK2 and Hsp27. In addition, SR-43 induced an anti-inflammatory response by blocking TNF-α release in whole blood and displayed a high metabolic stability. Selectivity profiling of SR-43 revealed a narrow selectivity for additional targets such as the discoidin domain receptor kinases (DDR1/2). DDR kinases play a central role in fibrotic disorders, such as renal and pulmonale fibrosis, atherosclerosis and different forms of cancer. Since selective and potent inhibitors for these important therapeutic targets are largely lacking and the existing inhibitors are of low scaffold diversity, the next study focused on the optimization of SR-43 toward DDR1/2 kinase inhibition. The synthetic work covered the optimization of the hinge-binding head group and the allosteric part of SR-43 toward DDR1/2 kinase inhibition. These studies provided novel insights into the P-loop folding process of p38 MAPK and how targeting of non-conserved amino acids affects inhibitor selectivity. Importantly, they led to the development of a selective dual DDR/p38 inhibitor probe, SR-302, with picomolar affinity for DDR2. SR-302 was efficient in vitro and showed a destabilizing effect on the surface adhesion protein E-cadherin in epithelial cells. In summary, SR-302 and its negative control SR-301 provide a valuable tool set for studying the phenotypic effects of DDR1/2 signaling, e.g., in cancer cell lines.
Background: Zolpidem is a non-benzodiazepine hypnotic agent which has been shown to be effective in inducing and maintaining sleep in adults and is one of the most frequently prescribed hypnotics in the world. For drugs that are used to treat sleeping disorders, the time to reach the maximum concentration (Tmax) of the drug in plasma is important to achieving a fast onset of action and this must be maintained when switching from one product to another.
Objectives: The main objective of the present work was to create a PBPK/PD model for zolpidem and establish a clinically relevant “safe space” for dissolution of zolpidem from the commercial immediate release (IR) formulation. A second objective was to analyze literature pharmacokinetic data to verify the negative food effect ascribed to zolpidem and consider its ramifications in terms of the “safe space” for dissolution.
Methods: Using dissolution, pharmacokinetic and pharmacodynamic data, an integrated PBPK/PD model for immediate release zolpidem tablets was constructed in Simcyp®. This model was used to identify the clinically relevant dissolution specifications necessary to ensure efficacy.
Results: According to the simulations, as long as 85% of the drug is released in 45 minutes or less, the impact on the PK and PD profiles of zolpidem would be minimal. According to the FDA, the drug has to dissolve from the test and reference products at a similar rate and to an extent of 85% in not more than 30 minutes to pass bioequivalence via the BCS-biowaiver test. Thus, the BCS-biowaiver specifications are somewhat more stringent than the “safe space” based on the PBPK/PD model. Published data from fasted and fed state pharmacokinetic studies suggest but do not prove a negative food effect of zolpidem.
Conclusions: A PBPK/PD model indicates that current BCS biowaiver criteria are more restrictive for immediate release zolpidem tablets than they need to be. In view of the close relationship between PK and PD, it remains advisable to avoid taking zolpidem tablets with or immediately after a meal, as indicated by the Stilnox® labeling.
Während meiner Promotion habe ich zwei Projekte unter der Aufsicht von Dr. Misha Kudryashev durchgeführt. Im ersten Projekt habe ich die Strukturen des Ryanodinrezeptors 1 (RyR1) in Apo- und Ryanodin-Bindungszuständen in der nativen Membran durch Tomographie und Subtomogramm-Mittelung bei 12,6 bzw. 17,5 Å bestimmt. Im Vergleich zur Struktur von gereinigtem RyR1 unter Verwendung der Einzelpartikel-Kryo-Elektronenmikroskopie (Cryo-EM) können zusätzliche Dichten in der cytoplasmatischen Domäne und der sarkoplasmatischen Retikulum (SR)-Membran bzw. im SR-Lumen beobachtet werden. Die Auflösung der Struktur von RyR1 im Apo-Zustand wurde von den Kollegen in meinem Labor mithilfe der Hybridmethode auf 9,5 Å verbessert. Diese Arbeit hat unser Verständnis für die Mechanismen von RyR1 in nativen Membranen erweitert. Im zweiten Projekt habe ich die Struktur des Proteins SdeC der SidE-Familie durch Einzelpartikel-Kryo-EM bei 4,6 Å bestimmt. Die Kristallstruktur des C-Terminus von SdeA wurde von meinem Forschungspartner Dr. Mohit Misra gelöst. Durch Überlagerung einer gemeinsamen Helix dieser beiden Strukturen konnten wir ein kombiniertes Modell erstellen und ein allgemeines Verständnis der Proteine der SidE-Familie erhalten.
Currently, due to the misuse of antibiotics, we are facing a major public health problem. The resistance to antibiotics of certain bacterial strains makes the treatment of infections very complex.
In this context, the present thesis project concerns the study of a bacterial efflux complex capable of transporting antibiotics from the cytoplasm to the outside of the cell. This complex is composed of an inner-membrane Major Facilitator Superfamily (MFS) transporter (EmrB, E. coli multidrug resistance), a channel of the outer membrane TolC (Tolerance to Colicin E1) and a periplasmic adapter (EmrA, E. coli multidrug resistance). Unlike RND-type efflux systems (such as AcrAB-TolC), little is known about the MFS-type EmrAB-TolC system. It is therefore important to study the entire complex on a structural and functional level, to analyse the marked differences between these two types of transport systems. The goal of my thesis project was to study at least one EmrAB-TolC complex from a structural point of view. For my studies the aim was to isolate the complex directly from bacteria overexpressing the three protein partners. In a first step, 15 homologous EmrAB-TolC systems were identified and their corresponding genes amplified from genomic DNA of different Gram-negative bacteria. Among the genes of the 15 systems, the genes coding for the E. coli and V. cholerae systems were further studied. The expression vectors encoded fluorescent markers for the monitoring of the expression levels of different proteins and for studying the formation of complexes. In a first step, the different protein expression levels (EmrB-mRFP1 and EmrA-sfGFP) were studied for several expression strains of E. coli by measuring the red and green fluorescence levels and by Western blot (anti-His, Myc, and Strep for EmrB, EmrA, and TolC). The E. coli strain C41(DE3) was best suited for co-expression of EmrAB-TolC. In a second step, the FSEC (Fluorescence detection Size Exclusion Chromatography) methodology was used to identify a complex suitable for structural study. Thus this method enabled the observation that the EmrAB-TolC complex of E. coli was produced in higher amount than that of V. cholerae. The final co-purification protocol consists in perfoming a gentle lysis of the bacteria using lysozyme, then after solubilization with DDM, the purification is started by a Ni2+-NTA affinity chromatography step followed by a size exclusion chromatography step. Finally, the fractions containing the three protein partners are used for the detergent-exchange by amphipol A8-35 before the structural study by electron microscopy. Negative stain EM-micrographs displayed elongated objects with a length of 33 nm in side view. An average image of EmrAB-TolC shows similarities to that of the AcrAB-TolC complex observed under similar conditions. Similarities included the characteristic densities of TolC. Whereas differences were found in the lower part of EmrAB which is thinner than the lower part of AcrAB. The densities visible above the amphipol-ring correspond to EmrA, which displays a channel-like structure as in AcrA. The channel however seems to extend further towards the amphipol belt. Since EmrB does not have an extended periplasmic domain as the RND proteins have, these densities are therefore solely assigned to EmrA. EmrA, on the other side, contacts TolC akin to the interaction of AcrA/MexA to their cognate outer membrane channels (TolC/OprM) in a ‘tip-to-tip’ fashion.
Nuclear receptor related 1 (Nurr1) is an orphan ligand-activated transcription factor and considered as neuroprotective transcriptional regulator with great potential as therapeutic target for neurodegenerative diseases. However, the collection of available Nurr1 modulators and mechanistic understanding of Nurr1 are limited. Here, we report the discovery of several structurally diverse non-steroidal anti-inflammatory drugs as inverse Nurr1 agonists demonstrating that Nurr1 activity can be regulated bidirectionally. As chemical tools, these ligands enable unraveling the co-regulatory network of Nurr1 and the mode of action distinguishing agonists from inverse agonists. In addition to its ability to dimerize, we observe an ability of Nurr1 to recruit several canonical nuclear receptor co-regulators in a ligand-dependent fashion. Distinct dimerization states and co-regulator interaction patterns arise as discriminating factors of Nurr1 agonists and inverse agonists. Our results contribute a valuable collection of Nurr1 modulators and relevant mechanistic insights for future Nurr1 target validation and drug discovery.
Atg8-family proteins - structural features and molecular interactions in autophagy and beyond
(2020)
Autophagy is a common name for a number of catabolic processes, which keep the cellular homeostasis by removing damaged and dysfunctional intracellular components. Impairment or misbalance of autophagy can lead to various diseases, such as neurodegeneration, infection diseases, and cancer. A central axis of autophagy is formed along the interactions of autophagy modifiers (Atg8-family proteins) with a variety of their cellular counter partners. Besides autophagy, Atg8-proteins participate in many other pathways, among which membrane trafficking and neuronal signaling are the most known. Despite the fact that autophagy modifiers are well-studied, as the small globular proteins show similarity to ubiquitin on a structural level, the mechanism of their interactions are still not completely understood. A thorough analysis and classification of all known mechanisms of Atg8-protein interactions could shed light on their functioning and connect the pathways involving Atg8-proteins. In this review, we present our views of the key features of the Atg8-proteins and describe the basic principles of their recognition and binding by interaction partners. We discuss affinity and selectivity of their interactions as well as provide perspectives for discovery of new Atg8-interacting proteins and therapeutic approaches to tackle major human diseases.
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.
Das Glykoprotein AICL gehört zur Familie der C-Typ Lektin-ähnlichen Rezeptoren und wird nach Aktivierung humaner NK Zellen und Makrophagen auf deren Oberfläche exprimiert. Die Bindung von AICL an den genetisch gekoppelten, aktivierenden NKRezeptor NKp80, der auf allen reifen humanen NK Zellen exprimiert ist, induziert Effektorfunktionen von NK Zellen, wie Zytotoxizität und Zytokinsekretion. AICL Glykoproteine werden in ruhenden NK Zellen intrazellulär zurückgehalten und gelangen erst nach Zellaktivierung an die Oberfläche (Klimosch et al. 2013). Der Mechanismus dieser Regulation ist bisher unbekannt und sollte im Rahmen dieser Arbeit untersucht werden, um weitere Einblicke in die Funktion des NKp80-AICL Rezeptor-Ligand-Paares im Rahmen einer Immunantwort zu ermöglichen.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass nach der Aktivierung von NK Zellen sowohl präformierte im Golgi-Komplex zurückgehaltene als auch de novo synthetisierte AICL Glykoproteine an die Zelloberfläche gelangen. Bei der intrazellulären Retention von AICL handelt es sich um eine intrinsische Eigenschaft von AICL, die auch im ektopen Kontext von Insektenzellen auftritt. Mechanistisch konnte gezeigt werden, dass die N-Glykosylierungen von AICL differentiell die AICLOberflächenexpression bestimmen. Die AICL Ektodomäne wird an einer nichtkonventionellen (N-X-C) und an drei konventionellen (N-X-S/T) N-Glykosylierungsstellen glykosyliert, wobei die Glykosylierung an ersterer ineffizient ist, sodass stets zwei Glykoisoformen vorhanden sind. Während die Glykosylierung zumindest einer konventionellen Stelle essenziell für die AICL-Oberflächenexpression ist, und diese mit zunehmender Glykosylierung konventioneller Stellen zunimmt, vermindert die nichtkonventionelle Glykosylierungsstelle die AICL-Oberflächenexpression. Für eine effiziente Oberflächenexpression ist auch die Ausbildung einer nicht-konservierten Disulfidbrücke erforderlich, die im membran-distalen Bereich der C-Typ Lektindomäne AICL-Homodimere miteinander verknüpft. Das Fehlen dieser Disulfidbrücke führt auch zu dem Verlust der NKp80-Bindung. Die intrazelluläre Reifung von AICL Glykoproteinen ist, im Gegensatz zu dem verwandten Glykoprotein KACL, in besonderem Maße abhängig von der Interaktion mit den ER-ständigen Proteinen der Proteinqualitätskontrolle. Insbesondere konnte mit Hilfe massenspektrometrischer Analysen eine starke Interaktion von AICL mit dem ER Chaperone Calnexin gezeigt werden. Entsprechend ist die zelluläre Expression von AICL in Abwesenheit von Calnexin stark reduziert. Massenspektrometrisch konnte auch eine spezifische Interaktion von AICL mit dem Protein ITM2A gezeigt werden, wobei allerdings eine funktionelle Relevanz in Folgeversuchen nicht bestätigt werden konnte. Schließlich konnte eine zusätzliche Regulation der AICL-Oberflächenexpression durch proteasomale Degradation nachgewiesen werden, die über zwei Lysine im kurzen zytoplasmatischen Bereich von AICL bestimmt wird.
Frühere Untersuchungen hatten eine Bindung von sowohl AICL- als auch NKp80-Ektodomänen an K562 Zellen, eine Erythroleukämie-zelllinie, ergeben. Da K562 Zellen weder NKp80 noch AICL exprimieren, handelt es sich bei der gebundenen Struktur um einen potenziellen weiteren Liganden des NKp80-AICL Rezeptor-Ligand-Paares. Hier konnte gezeigt werden, dass es sich bei der Bindestruktur um ein Oberflächenprotein der K562 Zellen handelt, das allerdings nicht identifiziert werden konnte.
Insgesamt konnten im Rahmen dieser Arbeit mehrere AICL-spezifische, molekulare Mechanismen identifiziert und charakterisiert werden, die die aktivierungsabhängige Oberflächenexpression von AICL regulieren. Offensichtlich unterliegt diese einer strikten Kontrolle auf mehreren Ebenen, was vermutlich mit der Funktion von AICL als Ligand für einen aktivierenden Immunrezeptor auf zytotoxischen NK Zellen erklärbar ist. Weitere Untersuchungen zur AICL-Expressionsregulation und zur Funktion des NKp80-AICL Rezeptor-Ligand-Paares in vivo sind erforderlich, um ein besseres Verständnis der Immunbiologie von NK Zellen zu erreichen.
Uncontrolled constitutive activation of Wnt signaling is a hallmark of colorectal cancer (CRC), which is responsible for the initiation of the vast majority of CRC cases (Fearon and Vogelstein, 1990; Morin et al., 1997; Wood et al., 2007). Paneth cells support the small intestinal stem cells by providing them with the required niche factors and especially Wnt3. Although the normal colonic epithelium does not contain Paneth cells, Paneth cell metaplasia is frequently observed in human and mouse adenoma (Joo et al., 2009). The occurrence of Paneth cells suggests the presence of high levels of Wnt ligands with unknown function in the tumor microenvironment of Wnt-independent tumor cells. Tumor progression is recognized as result of evolving crosstalk between tumor cells and their surrounding non-transformed stromal cells (Hanahan and Weinberg, 2011; Wang et al., 2017). Although Wnt signaling has been intensively studied in colorectal cancer (CRC) cells (Zhan et al., 2017), it remains unclear whether Wnt activity in the tumor-associated stroma contributes to the tumor malignancy. The present thesis used the organoid 3D cell culture system, genetically modified mouse models as well as next generation sequencing technology to identify and characterise the role of Wnt signaling in the tumor microenvironment of CRC.
Diese Arbeit etabliert eine nicht-invasive, volloptische Methode zur in-vivo Beobachtung des Membranpotentials in erregbaren Zellen des Fadenwurms C. elegans, die als Ersatz oder komplementär zu invasiven, elektrophysiologischen Methoden verwendet werden kann.
Krebs ist und wird voraussichtlich auch in näherer Zukunft eine der häufigsten Todesursachen weltweit bleiben. Trotz vielversprechenden Fortschritten in Therapeutik und Diagnostik bedarf es noch weiterer Forschung, um die vielfältigen molekularen Mechanismen zu entschlüsseln, welche dem Verlauf von malignen Tumorerkrankungen bestimmen und zu beeinflussen vermögen. Das RNA-Bindeprotein Hu antigen R (HuR) reguliert Genexpression auf posttranskriptioneller Ebene, indem es durch Bindung an Ziel mRNAs Einfluss auf deren Abbau, Lokalisation oder Translationseffizienz nimmt. Darüber hinaus zeigte sich in den letzten Jahren, dass HuR diese Prozesse auch indirekt durch Interaktion mit regulatorischen RNAs beeinflusst. In Krebszellen lässt sich häufig eine erhöhte Aktivität von HuR beobachten, welche in Verbindung mit verschiedenen tumorigenen Prozessen gebracht wird. Unter anderem trägt HuR zur Deregulation des Zellzyklus bei, indem es die Expression der Cycline A2, B1, D1 und E1 erhöht. Weiterhin unterstützt HuR das Tumorwachstum durch Regulation von proangiogenen Faktoren wie VEGF, IL8 und COX2. Da HuR generell eine prominente Rolle bei der Regulation von Immunantworten, sowohl in Immunzellen selbst als auch in solidem Gewebe einnimmt, wurde HuR in der Vergangenheit häufig auch mit der Ausbildung des inflammatorischen Tumormikromilieus in Verbindung gebracht, jedoch ist die Datenlage in dieser Hinsicht bis heute uneindeutig. Obwohl eine Großzahl an Zytokinen und inflammatorischen Faktoren prinzipiell als HuR Zielgene beschrieben sind, gibt es nur für die wenigsten dieser Proteine entsprechende Untersuchungen in Tumorzellen.
Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss von HuR in Tumoren auf die Rekrutierung von Makrophagen zu evaluieren. Hierfür bot sich als in vitro Modell die Brustkrebszelllinie MCF-7 an, da diese unter entsprechenden Kultivierungsbedingungen dreidimensionale Sphäroide bildet. Solch ein Sphäroidmodell bietet sich als Kompromiss zwischen der klassischen zweidimensionalen Zellkultur an, welche zwar höchst artifiziell, jedoch leicht zu handhaben und zu kontrollieren ist, und den physiologischeren, aber gleichzeitig experimentell unzugänglicheren und speziesfremden Tiermodellen. Mittels lentiviraler Transduktion wurde ein small hairpin RNA (shRNA) vermittelter stabiler Knockdown von HuR in MCF-7 erzielt, welcher zu vermindertem Zellwachstum führte, jedoch keinen weiteren Einfluss auf die Bildung von Sphäroiden hatte. Um die initiale Suche nach HuR-regulierten, potenziell relevanten Faktoren möglichst breit und unvoreingenommen zu halten, wurde die Expression von 174 Zytokinen in Wildtyp- und HuR-knockdown Sphäroiden mittels eines Protein Arrays untersucht. Überraschenderweise zeigte der Großteil der veränderten Proteins einen negativen Zusammenhang mit HuR, welches eigentlich eher als positiv regulierendes Protein beschrieben ist. Bemerkenswerterweise befand sich unter den mit am stärksten regulierten Faktoren das Chemokin CCL5 (auch RANTES genannt), welches einerseits als einer der beiden zentralen Faktoren für die Makrophageninfiltration in Brustkrebs gilt, andererseits bisher noch nicht in Verbindung mit HuR gebracht wurde.
Im Folgenden untersuchte ich zuerst den mechanistischen Hintergrund dieser Regulation. Da diese sich auch in adhärenten Zellrasen zeigte, wechselte ich für die entsprechenden Experimente zu zweidimensionaler Zellkultur. Eine negative regulatorische Funktion von HuR wird meist in Verbindung mit verminderter Translation von Zielfaktoren gebracht. Da die mRNA Level von CCL5 dem Effekt auf Proteinebene entsprachen, konnten entsprechende Mechanismen als Grund für die veränderten CCL5 Level ausgeschlossen werden. Desweiteren blieb die mRNA Stabilität ungeachtet der HuR Level konstant; dabei zeigte sich zudem, dass mRNA Abbau generell keinen relevanten Einfluss auf die Expression von CCL5 in MCF-7 hatte. Da diese Ergebnisse auf eine transkriptionelle Regulation hindeuteten, untersuchte ich im Folgenden den Einfluss von HuR auf die Promoteraktivität von CCL5. Hierfür isolierte ich zunächst die CCL5-Promoterregion aus genomischer DNA von MCF-7 Zellen und inserierte diese dann in einen zuvor promoterlosen Luciferase-Expressionsvektor. In den folgenden Reporteranalysen zeigte sich, dass HuR tatsächlich einen negativen Einfluss auf die Promoteraktivität von CCL5 ausübt. Durch sukzessive Verkürzung ließ sich der entscheidende DNA-Bereich auf die letzten 140 Nukleotide vor dem Transkriptionsstartpunkt eingrenzen. Dieser Bereich enthält vier prominente und sehr gut charakterisierte regulatorische Abschnitte: zwei benachbarte NF-κB Bindestellen sowie je ein Interferon-stimulated Response Element (ISRE) und ein C/EBPβ Erkennungsmotiv. Während das C/EBP Element keine funktionelle Relevanz in den Reporteranalysen hatte, reduzierte sich durch Deletion sowohl der ISRE als auch der NF-κB Elemente die Promoteraktivität um mehr als 50%, allerdings nur im ISRE-Deletionskonstrukt unter Nivellierung des HuR-abhängigen Unterschiedes. Somit ließ sich der Einfluss von HuR auf die CCL5 Promoteraktivität vollständig und ausschließlich auf das ISRE zurückführen. Im Gegensatz zu dem in Tumorzellen häufig basal überaktiven NF-κB Signalweg sind die kanonischen, ISRE-assoziierten Typ I Interferon Signalkaskaden und ihre vermittelnden Transkriptionsfaktoren, die sogenannten Interferon Regulatory Factors (IRFs) nicht konstitutiv überaktiviert. Eine Sonderstellung nehmen dabei die Faktoren IRF1 und IRF2 ein, da sie, für Proteine abseits der Stimulus-getriebenen ISRE-Interferon Achse, auch als konstitutive Transkriptionsfaktoren beschrieben sind, wobei IRF2 in diesem Kontext als IRF1-Antagonist und somit Transkriptionsrepressor fungiert. Überraschenderweise ließ sich mittels Chromatin Immunopräzipitation eine Assoziation von IRF1 mit dem CCL5 Promoter nur in Wildtyp-, jedoch nicht in HuR-knockdown Zellen nachweisen. Im Gegensatz dazu ergaben mRNA Expressionsanalysen der Tumor-relevanten IRFs, dass die CCL5 Induktion in HuR-depletierten Zellen mit einer allgemeinen, jedoch niedrigschwelligen Erhöhung von Typ I Interferon-assoziierten Signalen einhergeht. Interessanterweise korrelierte Interferon β zwar mit CCL5 auf mRNA Ebene, jedoch hatte eine Blockade des Interferon-α/β Rezeptors in HuR-depletierten Zellen keinen akuten Effekt auf CCL5. Umgekehrt zeigte sich auch keine erhöhten CCL5 Level in Wildtypzellen unter Kokultur mit HuR-knockdown Zellen, wie es bei parakriner Induktion durch Interferon β zu erwarten wäre. Ebenso konnte alternatives ISRE Signaling durch einen Komplex aus unphosphoryliertem Stat1 und IRF9, wie es in vitro unter länger anhaltender Niedriglevel Exposition mit Interferon β beobachtet wurde, ausgeschlossen werden. Um sicher zu stellen, dass diese Erhöhung kein sequenzabhängiges off-target Artefakt ist, wie es in der Vergangenheit für einzelne small hairpin RNAs (shRNAs) beobachtet wurde, wurde eine entsprechende Aktivierung von IRF3 und damit des IRF3/IRF7 Aktivierungsweges untersucht und ausgeschlossen. Zusätzlich konnte durch Tests unterschiedlicher shRNA Sequenzen sowie Zellsysteme demonstriert werden, dass die CCL5 Aktivierung tatsächlich ein spezifischer und in einer größeren Bandbreite an Krebszelllinien unterschiedlicher Herkunft, darunter Brust- und Lungenkarzinom, Glioblastom- sowie Melanom- Zelllinien, reproduzierbarer Effekt von HuR-Defizienz ist.
Da CCL5 als eines der zentralen Chemokine bei der Rekrutierung von Monozyten/Makrophagen in Tumore beschrieben ist, stellte sich die Frage, ob HuR mit diesem Vorgang in Verbindung zu bringen ist. Brusttumore weisen oft eine hohe Zahl von Tumor-assoziierten Makrophagen auf, welche von eingewanderten Blutmonozyten abstammen. Ein Einfluss von HuR auf diesen Vorgang in vitro konnte mittels einer Kokultur von Sphäroiden mit zuvor frisch aus Humanblut isolierten Primärmonozyten nachgewiesen werden. Hierbei wiesen HuR-knockdown Sphäroide trotz ihres geringeren Durchmessers eine erhöhte Anzahl von Monozyten/Makrophagen auf. Da sich in diesen Zellen weder Proliferation noch relevante Apoptose zeigte, ließ sich die erhöhte Anzahl auf verstärkte Einwanderung in das Sphäroid zurückführen. Hierbei erwies sich der direkte Zellkontakt zwischen Monozyten und Tumorzellen als erforderlich, da Monozyten keine unterschiedliche Chemotaxis gegenüber entsprechenden Sphäroidüberständen zeigten. Dass die erhöhte Infiltration in HuR-defizienten Sphäroiden tatsächlich auf CCL5 zurückzuführen ist, konnte in Kokulturexperimenten durch Inhibierung von CCL5 gezeigt werden. Unterstütztend wurde ein Zusammenhang zwischen HuR, CCL5 und Tumor assoziierten Makrophagen in silico unter Zuhilfenahme des TCGA Datensets für Estrogenrezeptor-positive Brusttumore untersucht. Im Einklang mit meinen Ergebnissen zeigte sich eine negative Korrelation zwischen HuR und CCL5. Außerdem ließ sich ein negativer Zusammenhang zwischen HuR und einer Makrophagensignatur feststellen, während CCL5 wie erwartet mit dieser Signatur positiv korrelierte.
Zusammenfassend zeigte sich in dieser Arbeit, dass HuR eine Rolle bei der zellulären Zusammensetzung des inflammatorischen Tumor-Mikromilieus spielt. Der Verlust von HuR in Tumorzellen führte zu einer erhöhten Expression des Chemokins CCL5. Dies ließ sich in Brust- und Lungenkarzinom-, Glioblastom- sowie Melanom- Zelllinien beobachten. In Brustkrebszellen zeigte sich, dass diese Regulation auf verstärkte Transkription, vermittelt durch ein ISRE innerhalb des CCL5 Promoters, zurückzuführen ist. Funktionell konnte die erhöhte CCL5 Produktion in HuR-defizienten Tumorsphäroiden in Verbindung mit verstärkter Infiltration von Monozyten/Makrophagen gebracht werden. Unterstützend zeigte sich auch bei einer in silico Analyse von Estrogenrezeptor-positiven Brusttumoren eine negative Korrelation zwischen HuR und CCL5, was mit einer entsprechend veränderten Makrophagensignatur einherging. Im Hinblick auf derzeit diskutierte Ansätze, das Wachstum von Tumoren mittels HuR Blockade zu inhibieren, sind meine Ergebnisse potenziell von therapeutischer Relevanz. Basierend auf meiner Arbeit sollte dabei in zukünftigen Studien näher untersucht werden, wie sich Inhibierung von HuR in Tumoren auf die Zusammensetzung und Funktion des Tumormikromilieus auswirkt und daraus resultierende Effekte auf das Tumorwachstum in Relation zu der allgemein wachstumsfördernden Rolle von HuR in Tumorzellen gesetzt werden.
Auswirkung der Chemisorption von Organothiolaten auf den elektrischen Widerstand dünner Goldfilme
(2018)
Hochgeordnete Monolagen von Organothiolaten auf Goldoberflächen bilden sich bei Kontakt einer Goldoberfläche mit einer Lösung eines Thiols oder Thioacetats spontan aus. Die Adsorption auf dünnen Metallfilmen mit Schichtdicken im Bereich von 25 - 100 nm führt zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes des Films, die an Goldfilmen mit Schichtdicken von 25 - 40 nm über eine einfache Zweipunktmessung verfolgt wurde. Die Proportionalität der Widerstandsänderung mit der Menge an adsorbiertem Material konnte für die in dieser Arbeit verwendeten Dünnschichtsensoren bestätigt werden. Zu diesem Zweck wurden gleichzeitig Widerstands- und Oberflächenplasmonenresonanzmessungen an 40 nm starken Goldfilmen durchgeführt. In diesen Experimenten zeigt sich die Widerstandsmessung zur Beobachtung der Adsorptionskinetik als die überlegene Technologie.
Die durch Mikrokontaktdrucken und Freiätzen der gedruckten Strukturen hergestellten Sensoren zeigen eine individuelle Signalintensität. Die Normierung auf die maximale, durch Belegung mit Hexadecanthiol (HDT) oder Dodecanthiol erreichte, Signalstärke ermöglichte den Vergleich der maximalen Signalstärke von Thiolatmonolagen, die durch Belegung mit n-Alkanthiolen (CH_3(CH_2)_(n-1)-SH mit n = 12, 16, 19, 22 und 33, Cn), 11-Mercaptoundecyl-hexaethylenglycol (HSC11EG6OH), Adamantan-1-thiol (AdaSH), Triptycenthiol (TrpSH), Anthracen-2-thiol (Ant-0SH), Anthracen-2-alkanthiolen (Ant-(CH_2)_n-SH mit n = 1 - 5 und 10, Ant-nSH), p-Terphenyl-4-thiol (TP0SH), p-Terphenyl-4-alkanthiolen (TP-(CH_2)_n-SH mit n = 1 - 4, TPnSH) und p-Terphenyl-4-ethanthioacetat (TP2SAc) erzeugt wurden. Die Größe der Widerstandsänderung zeigt eine deutliche Abhängigkeit vom organischen Rest des Oberflächenadsorbats. Für die Verstärkung des Signals wurde die folgende Reihenfolge gefunden: Trp > Ada > Ant-0 > Ant-1 > TP0 > TP1 > Ant-2 > TP2 > Cn (n = 12 - 33) = C11EG6OH = Ant-n (n = 3 - 11) = TPn (n = 3, 4). Bei bekannter Verstärkung des Signals durch ein Adsorbat kann unabhängig von der Oberflächenrauigkeit die Oberflächenbedeckung durch Chemisorbate in einer Güte bestimmt werden, die der durch STM- und TEM-Messungen erreichten vergleichbar ist. Die Methode wurde angewendet, um Schichten von TP2SH und TP2SAc, die bei 20 und 60 °C aus ethanolischer Lösung abgeschieden wurden, zu vergleichen. Die Unterschiede in der Oberflächendichte, die durch eine Erhöhung der Abscheidungstemperatur zu beobachten sind, können durch eine Beschleunigung der Reaktion nach Arrhenius erklärt werden. Auch die Temperaturabhängigkeit der Abscheidungsgeschwindigkeit von HDT aus ethanolischer Lösung an Goldoberflächen, die in einem Bereich von -10 °C bis +30 °C betrachtet wurde, ist mit dem Arrhenius'schen Ansatz konform. Die Aktivierungsenergie der Adsorption von HDT auf Gold wurde auf E_a = 23 +-6 kJ/mol bestimmt.
Die Konzentrationsabhängigkeit der Abscheidung aus ethanolischer Lösung an Goldoberflächen wurde für HDT, AdaSH, TP2SH und TP2SAc untersucht. Um eine Präadsorption der Thiole vor dem eigentlichen Start der Messung zu verhindern, wurde eine Apparatur mit einem Diaphragma aus Aluminium entwickelt, das beim Start der Messung mit dem Sensor durchstoßen wird. Mit Ausnahme von TP2SH zeigen alle Adsorptive ein Adsorptions-Desorptions-Gleichgewicht. Die Adsorptionsisothermen bei 20 °C lassen sich am besten durch die Freundlich-Isotherme beschreiben. Während die Reaktionsordnung im Adsorbat für die Adsorption der Thiole nahe an 1 liegt, hat sie für die Adsorption von TP2SAc einen Wert von ca. 1/4. Damit ergibt sich für die Geschwindigkeitskonstante der Adsorption k_a(HDT) = (2,3 +-0,2) 10^4 L/(mol s), k_a(AdaSH) = (6,1 +-0,2) 10^4 L/(mol s), k_a(TP2SH) = (7,3 +-0,4) 10^3 L/(mol s) und k_a(TP2SAc) = (8 +-3) 10^-2 L^(1/4)/(mol^(1/4) s). Die Adsorptionskurven der Thiole weisen bei Konzentrationen unterhalb von 5 10^-5 mol/L einen linearen Bereich auf, der einer zwischenzeitlichen Diffusionskontrolle zugeordnet wird.
An die aufgenommenen Adsorptionskurven der Thiole wurden literaturbekannte Modelle numerisch angepasst und teilweise weiterentwickelt. Die Anpassung konnte durch die Einführung einer vor der Oberfläche gelagerten Diffusionsgrenzschicht, in welcher der zeitabhängige Verlauf der Analytkonzentration in einem System von 10 Schichten berechnet wurde, deutlich verbessert werden. Von allen getesteten Modellen zeigt nur die Adsorption mit Ausschlussmuster keine Konzentrationsabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstante der Desorption. Dieses Modell bezieht den Verlust von Adsorptionsplätzen mit ein, die einem besetzten Adsorptionsplatz benachbart sind und durch das adsorbierte Teilchen verdeckt werden. Der daraus resultierende Zusammenhang zwischen der Konzentration freier Adsorptionsplätze und dem Bedeckungsgrad der Oberfläche Theta_F(Theta) ist abhängig vom Verhältnis der Stoßfrequenz zwischen den Teilchen und der Oberfläche zur Platzwechselfrequenz der Teilchen auf der Oberfläche. Zur Bestimmung von Theta_F(Theta) für die numerische Anpassung der Adsorptionskurven von HDT und TP2SH wurde die Oberflächenbesetzung in einem Monte-Carlo-Verfahren für eine Konzentrationsreihe in Zehnerpotenzschritten simuliert.
Chronic inflammation is considered to be a cause of the autoimmune diseases such as rheumatoid arthritis, Alzheimer’s disease, multiple sclerosis, etc. The search for effective compounds with anti-inflammatory properties to combat these diseases is still ongoing. Natural compound narciclasine, derived from plants of Narcissus species, demonstrated its anti-inflammatory activity in in vivo arthritis models. Further investigation of narciclasine’s anti-inflammatory activity together with its impact on the interaction between leukocytes and endothelial cells was the main focus of this PhD thesis.
Narciclasine reduced the infiltration of monocytes and neutrophils to the abdomen and the concentration of the pro-inflammatory cytokines TNF, IL-6 and IL-1β. Together with this, it reduced acute visceral pain caused by zymosan injection. Narciclasine interfered with leukocyte-endothelial cell interaction in both in vivo and in vitro models. In vivo microscopy revealed that the compound reduced rolling, adhesion and transmigration of leukocytes in the vessels of an injured murine cremaster muscle. This observation was confirmed in the in vitro models for adhesion and transmigration where narciclasine reduced the level of leukocyte’s interaction with HUVECs. Narciclasine demonstrated profound anti-inflammatory properties based on its interference with leukocyte-endothelium interaction by downregulation of endothelial cell adhesion molecules expression (ICAM-1, VCAM-1, E-selectin, CX3CL1) and shutdown of NF-κB pathway. All these effects were a result of the TNF receptor 1 protein translation blocking by narciclasine.
In this work the ability of the compound to reduce visceral pain, downregulate the expression of the endothelial cell adhesion molecules and to interfere with the interaction between leukocytes and endothelial cells was demonstrated for narciclasine for the first time. Obtained results open a promising insight into the understanding of narciclasine’s anti-inflammatory properties and justify further investigation of its potential for treatment of inflammatory diseases.
Tissue injury and inflammation may result in chronic pain, a severe debilitating disease that is associated with great impairment of quality of life. An increasing body of evidence indicates that members of the Rab family of small GTPases contribute to pain processing; however, their specific functions remain poorly understood. Here, we found using immunofluorescence staining and in situ hybridization that the small GTPase Rab27a is highly expressed in sensory neurons and in the superficial dorsal horn of the spinal cord of mice. Rab27a mutant mice, which carry a single-nucleotide missense mutation of Rab27a leading to the expression of a nonfunctional protein, show reduced mechanical hyperalgesia and spontaneous pain behavior in inflammatory pain models, while their responses to acute noxious mechanical and thermal stimuli is not affected. Our study uncovers a previously unrecognized function of Rab27a in the processing of persistent inflammatory pain in mice.
Receptor tyrosine kinases (RTKs) orchestrate cell motility and differentiation. Deregulated RTKs may promote cancer and are prime targets for specific inhibitors. Increasing evidence indicates that resistance to inhibitor treatment involves receptor cross-interactions circumventing inhibition of one RTK by activating alternative signaling pathways. Here, we used single-molecule super-resolution microscopy to simultaneously visualize single MET and epidermal growth factor receptor (EGFR) clusters in two cancer cell lines, HeLa and BT-20, in fixed and living cells. We found heteromeric receptor clusters of EGFR and MET in both cell types, promoted by ligand activation. Single-protein tracking experiments in living cells revealed that both MET and EGFR respond to their cognate as well as non-cognate ligands by slower diffusion. In summary, for the first time, we present static as well as dynamic evidence of the presence of heteromeric clusters of MET and EGFR on the cell membrane that correlates with the relative surface expression levels of the two receptors
Zoos attract millions of visitors every year, many of whom are schoolchildren. For this reason, zoos are important institutions for the environmental education of future generations. Empirical studies on the educational impact of environmental education programs in zoos are still rare. To address this issue, we conducted two studies: In study 1, we investigated students’ interests in different biological topics, including zoos (n = 1,587). Data analysis of individual topics revealed large differences of interest, with advanced students showing less interest in zoos. In study 2, we invited school classes of this age group to visit different guided tours at the zoo and tested connection to nature before and after each educational intervention (n = 608). The results showed that the guided tours are an effective tool to raise students’ connection to nature. Add-on components have the potential to further promote connection to nature. The education programs are most effective with students with a low initial nature connection.
Stickstoff (NO), Kohlenmonoxid (CO) und Schwefelwasserstoff (H2S) gehören zur Gruppe der Gasotransmitter. Dabei handelt es sich um kleine gasförmige Signalmoleküle, welche innerhalb des Körpers gebildet werden und dort wichtige physiologische Funktionen bei der Regulation der Apoptose, der Proliferation, der Entzündungsreaktion und der Genexpression übernehmen. Aufgrund ihrer Membranpermeabilität ist die Wirkung der Gasotransmitter nicht an die Interaktion mit spezifischen membranständigen Rezeptoren gebundenen. Je nach Organ, Gewebe und Konzentration können diese Mediatoren unterschiedliche Prozesse beeinflussen und teils sogar gegenteilige Wirkungen hervorrufen.H2S beispielsweise kann im Verlauf der Leukozytenadhäsion im Epithelium anti-inflammatorisch, bei Brandwunden oder rheumatischen Erkrankungen jedoch pro-inflammatorisch wirken. Im Kreislaufsystem hingegen bewirkt H2S durch die Aktivierung von ATP-abhängigen K+-Kanälen und die damit zusammenhängende Vasorelaxion der glatten Muskelzellen einen eindeutig protektiven Effekt.
H2S kann je nach Substrat und Zelltyp durch eines von 3 Enzymen gebildet werden. Die Cystathionin-γ-Lyase (CSE) und die Cystathionin-β-Synthase (CBS) nutzen L-Cystein als Substrat für die Synthese von H2S. Das dritte H2S-bildende Enzym, die 3-Mercaptopyruvate Sulfurtransferase (3-MST) verwendet α-Ketoglutarat als Substrat, welches zuvor von der Cystein-Aminotransferse (CAT) aus L-Cystein synthetisiert wurde. Während die beiden Enzyme CSE und CBS im Zytosol der Zelle zu finden sind, ist die 3-MST hauptsächlich in den Mitochondrien der Zelle zu finden. Im Gegensatz zur CBS, welche eher ein konstitutiv exprimiertes Protein ist, wird die Expression der CSE auf der Transkriptionsebene durch u.a. Entzündungsmediatoren wie TNF-α oder Wachstumsfaktoren wie PDGF-BB induziert.
Ein Ziel der Arbeit war es, die Wirkung von H2S bei der Wundheilung, bei entzündlichen glomerulären Erkrankungen der Niere und beim Schlaganfall zu untersuchen. Für diesephänotypische Analysen stand ein Knockoutmodell für die CSE zur Verfügung.
Zudem wurden in dieser Arbeit Untersuchungen mit einem Knockoutmodell für das zytoskeletäre Protein durchgeführt. Bei Clp36 (PDLIM1) handelt es sich um ein PDLIM-Protein (PDZ and LIM domain protein),welches durch die Gasotransmitter NO und H2S auf transkriptioneller und translationaler Ebene reguliert wird ist und aufgrund seiner Assoziation mit dem Zytoskelett dynamische Vorgänge der Zelle moduliert. Es ist bereits bekannt, dass Clp36 ein negativer Regulator des Glykoprotein VI (GPVI), welches eine wichtige Rolle bei der Aktivierung von Thrombozyten spielt, ist.
Beide Knockoutmodelle wurden in murinen Mesangiumzellen der Niere und in Krankheitsmodellen der Haut (kutane Wundheilung)und des Gehirns (Schlaganfall mit dem MCAO-Modell) analysiert.
Neben nicht signifikanten Effekten im MCAO-Modell, konnten sowohl Effekte des CSE-, als auch des CLP36-KOs auf die Migration und Proliferation und im Falle der CSE auch auf die Adhäsion der murinen Mesangiumzellen beobachtet werden. Die Depletion von Clp36 führte zu einer Verringerung der Migrations- und einer Erhöhung der Proliferationsrate, wohingegen die Depletion der CSE zu einer Erhöhung der Migrations-, Proliferations- und Adhäsionsrate führte. Die vielversprechendsten Ergebnisse konnten im Tiermodell der kutanen Wundheilung generiert werden. Untersucht wurde die Expression der H2S-produzierenden Enzyme CSE, CBS und 3-MST. Alle drei Enzyme zeigten im Tiermodell keine transkriptionelle Regulation und blieben auch während der akuten Entzündungsphase und der proliferativen Phase der Wundheilung unverändert. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass die Expression der CSE in der späten Phase der Wundheilung signifikant anstieg, wenn die Proliferation innerhalb des Granulationsgewebes und der Neoepidermis geringer wurde. Die Vermutung, dass H2S in dieser Phase eine wichtige Rolle spielt, konnte durch die Analyse der CSE-KO Mäuse bekräftigt werden, da dort der Verlust der CSE offenbar durch die CBS kompensiert wurde.
In immunhistochemischen Untersuchungen konnten insbesondere follikuläre Keratinozyten der Neo-Epidemis als Quelle der CSE-Expression identifiziert werden. Durch in-vitro Studien auf mRNA und Proteinebene in HaCaT Zellen wurde gezeigt, dass H2S die Keratinozyten-Differenzierung beeinflusst. Der langsam freisetzendeH2S-Donor GYY4137 konnte in humanen Keratinozyten zu einer signifikanten Erhöhung der Ca2+- induzierten Expression der frühen Keratinozyten-Differenzierungsmarker Cytokeratin 10 (CK10) und Involucrin (IVN) beitragen.
Im Laufe dieser Arbeit konnte der molekulare Mechanismus hinter diesen Beobachtungen noch nicht geklärt werden.
Durch weitere Versuche meiner Arbeitsgruppe konnte jedoch gezeigt werden, dass die GYY4137-abhängige Induktion der CK10-Expression durch eine verstärkte Bindung der RNA-Polymerase II an den CK10 Promotor zustande kommt.
The innate immune system is the first line of host defense that senses invading pathogens by various surveillance mechanisms, involving pattern recognition receptors (PRRs) such as Toll-like receptors (TLRs). Furthermore, in response to stress, tissue injury or ischemia, cells release endogenous danger-associated molecular patterns (DAMPs) which activate PRRs in order to prompt an effective immune response. Activation of PRRs by DAMPs initiates signaling transduction pathways which drive sterile inflammation by the production of pro-inflammatory effector molecules. Biglycan, a class I small leucine-rich proteoglycan (SLRP), is proteolytically released from the extracellular matrix (ECM) in response to tissue stress and injury or de novo synthesized by activated macrophages. In its soluble form, biglycan operates as an ECM-derived DAMP and triggers a potent inflammatory response by engaging TLR2 and TLR4 on immune cells. By selective utilization of TLR2/4 and the TLR adaptor molecules adaptor molecule myeloid differentiation primary response gene 88 (MyD88) or TIR domain-containing adaptor-inducing interferon-β (TRIF) biglycan differentially regulates the production of TLR downstream mediators or inflammatory molecules. In this way, biglycan triggers the activation of mitogen-activated protein kinase (MAPK) p38, extracellular signal-regulated kinase (Erk) and nuclear factor kappa-light-chain enhancer of activated B cells (NF-κB) in a primarily MyD88-dependent manner. In contrast, biglycan induces the expression of (C–C motif) ligand (CCL)5 and chemokine (C-X-C motif) ligand (CXCL)10 over TLR4/TRIF, heat shock protein 70 (HSP70) production over TLR2 and the synthesis of tumor necrosis factor (TNF)-α, CCL2 and CCL20 by utilizing TLR2/4/MyD88. As a consequence, biglycan promotes the recruitment of immune cells such as neutrophils, T cells, B cells and macrophages into the inflamed tissue. Research over the past years showed that biglycan-induced inflammation is involved in the pathogenesis of various inflammatory diseases such as lupus nephritis (LN), sepsis and renal ischemia/reperfusion injury (IRI), whereby genetic deletion of biglycan or TLR2/4 alleviated disease outcome. Unfortunately, the selective interaction of biglycan to TLRs and TLR adaptors complicates the identification of an efficient pharmacological target in biglycan-mediated inflammation. Yet, the necessity of possible co-receptors in biglycan signaling such as cluster of differentiation 14 (CD14) which was found in a high molecular complex with biglycan was not addressed so far.
In the first part of the present study, by utilizing primary peritoneal murine macrophages we demonstrated that the biglycan-induced expression and synthesis of TNF-α and CCL2 via TLR2/4/MyD88, CCL5 through TLR4/TRIF and HSP70 over TLR2 is blunted in CD14 deficient mice, proving that CD14 is essential in TLR2- and TLR4-mediated biglycan signaling. Pre-incubation of macrophages with an anti-CD14 antibody significantly reduced the protein levels of TNF-α, CCL2, CCL5 and HSP70. In line with these data, pharmacological inhibition of CD14 alleviated the transcriptional activation of NF-κB by biglycan in HEK-Blue cells expressing hTLR2/CD14 as well as hTLR4/CD14/MD2 supporting CD14-dependency for biglycan/TLR2/4 signaling. Western blot analysis of phosphorylated p38, p44/42 and NF-κB in WT and CD14 deficient mice revealed that activation of biglycan-mediated TLR downstream signaling is CD14-dependent. Accordingly, biglycan-induced activation and nuclear translocation of p38, p44/42 and NF-κB was blocked in Cd14-/- mice as analyzed by confocal microscopy. Co-immunoprecipitation studies combined with microscale thermophoresis analysis showed that biglycan is in complex with CD14 in macrophages and in vitro binds directly with high affinity to CD14, thereby sustaining the concept that CD14 is a novel co-receptor in biglycan-mediated inflammation. Additionally, we provided proof-of-principle of our concept in an in vivo mouse model of renal IRI. Transient overexpression of biglycan in WT mice exacerbated the expression and production of TNF-α, CCL2, CCL5 and HSP70 in a CD14-dependent manner. Interestingly, pLIVE or pLIVE-hBGN-injected Cd14-/- mice displayed lower chemo- and cytokine levels in reperfused kidneys as compared to respective WT controls during renal IRI (30 h), indicating a renoprotective effect by CD14 deficiency. Flow cytometry analysis of kidney homogenates underlined the pivotal effect of CD14 in biglycan signaling as biglycan-mediated infiltration of CD11b- and F4/80-positive renal macrophages was abolished in Cd14-/- mice. Additionally, pLIVE or pLIVE-hBGN-injected CD14 deficient mice displayed lower numbers of renal CD11b- and F4/80-positive cells during renal IRI compared to WT mice. Analysis of F4/80- and CD38-positive cells isolated from mononuclear cell extracts from kidney homogenates of pLIVE or pLIVE-hBGN-injected WT and Cd14-/- mice revealed that biglycan triggers the polarization of pro-inflammatory M1 macrophages in a CD14-dependent manner. In line with this, Cd14-/- mice, either injected with pLIVE or pLIVE-hBGN, showed less F4/80- and CD38-positive cells during renal IRI than the respective WT control. As a corroboration of our data PAS-stained renal sections of pLIVE- or pLIVE-hBGN-injected WT or Cd14-/- mice uncovered that biglycan worsens tubular damage in IRI-subjected mice via CD14. At the same time, tubular damage was significantly reduced in IRI-subjected Cd14-/- mice as compared to WT mice. In correlation with these data, serum creatine levels were increased in pLIVE-hBGN-injected WT mice during renal IRI. In contrast, serum creatine levels were significantly less increased in pLIVE- or pLIVE-hBGN-injected Cd14-/- mice than in WT littermate controls. In conclusion we demonstrated that CD14 is a new high affinity ligand for biglycan-mediated pro-inflammatory signaling over TLR2 and TLR4 in macrophages. In vivo, soluble biglycan triggers the expression of various inflammatory mediators by utilizing the co-receptor CD14. Ablation of CD14 abolishes biglycan-induced renal macrophage infiltration and M1 macrophage polarization as well as overall kidney function by reduced tubular damage and serum creatinine levels. Therefore, this study identifies CD14 as a promising therapeutic target to ameliorate biglycan-induced inflammation.
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The work of this thesis focuses on the targeting of G-quadruplexes (G4s), wherein several specific and potential ligands were designed, synthesized and characterized for its structural and biological activity. G4s are nucleic acid secondary structures that may form in single-stranded guanine (G)-rich sequences under physiological conditions. Four Guanines (Gs) bind via Hoogsteen-type hydrogen bonds base pairing to yield G-quartets, which in turn stack on top of each other to form the G4. G4s are highly polymorphic, both in terms of strand stoichiometry (forming both inter and intramolecular structures) and strand orientation/topology. The presence of K+ cations specifically supports G4 formation and stability. In the human genome G4 DNA motifs have been found in telomeres, G-rich micro and mini-satellites, up-stream to oncogene promoters and within the ribosomal DNA (rDNA). Human G4 DNA motifs are over-expressed in recombinogenic regions, which are associated with genomic damage in cancer cells.
In the present work, we focus on lead identification with specificity towards the c-MYC promoter G4s. Drug discovery is a highly time consuming and costly process. Lead identification and development are key steps in the drug discovery program. Studies have suggested that a large number of commercially available drugs exhibit deep structural similarity to the lead compounds from which they were developed. Quality lead identification in terms of compounds with high potency and selectivity, favorable physicochemical parameters and in vitro Absorption Distribution Metabolism and Excretion (ADME) parameters are the foremost requirements for the success of the drug discovery process. We herein describe the fragment-based drug design approach for the development of pyrrolidine-substituted 5-nitroindole derivatives as a new class of G4 ligands that exhibit high affinity and selectivity for the c-MYC promoter G-quadruplex. This chapter focuses on the methodology explored whilst finding a suitable hit and its optimization with fragment expansion strategies which undergo efficient G4 binding.
To target G4 DNA, screenings of numerous heterocycles have been reported including indoles, 7-azaindoles, 1H-indazol-3-yl, benzothiazole, imidazo[1,5-a]pyridine, 2,6- diaminopyrimidin-4-ol, 1H-pyrazolo[4,3 d]pyrimidin-7-amine, morpholino, bis-indoles, 2-hydroxynaphthalene-1,4-dione, 1,4-dihydroxyanthracene-9,10-dione, benzofuran and piperonal derived from several alkaloids. In this part of the thesis, we set out to identify new binders targeting the c-MYC G-quadruplex starting from the indole fragment. Several synthetic strategies are reported to optimize and generate best hits starting from 5-nitro indole derivatives by introducing the secondary cationic linked pyrrolidine side chain. Interestingly, all improved versions of G4-indole fragments 5, 7 and 12 contain this 5-nitro functionality, which may aid in the electrostatic binding and contributes to hydrogen binding interactions of the ligands to G4 DNA. In-silico drug design, biological and biophysical analyses illustrated that the substituted 5-nitro indoles scaffolds show preferential affinity towards the c-MYC promoter G-quadruplex compared to other G-quadruplexes and double stranded DNA. In vitro cellular studies confirm that the substituted indole scaffolds downregulate c-MYC expression in cancer cells and have the potential to induce cell cycle arrest in the G0/G1 phase. NMR analysis suggests that 5, 7, and 12 interacts in a fast exchange regime with the terminal G-quartets (5’ and 3’end) in a 2:1 stoichiometry.
To further optimize the fragment generated in chapter II, a novel series of triazole linked indole derivatives as a potential G quadruplex stabilizers have been described in chapter III. The potential ligands can be obtained through an efficient, convergent, synthetic route in moderate to good yields. The synthesized triazole linked indole derivatives are selective towards c- MYC G4-DNA vs. duplex-DNA. The planarity of the aromatic core and its ability to occupy more surface area by stacking over the G4 greatly affect the ability of the compounds to stabilize the G4. Further biophysical and biological studies revealed that the triazole linked nitro indoles are more promising than the amino indole derivatives.
Additionally, the importance of the nitro functional group has been justified by molecular docking studies, where hydrogen-bonding interactions were observed in between the nitro group and the G4 base pairs of the G-quadruplex. In biological findings, most of the synthesized triazole linked nitro indoles has found to be effective against human carcinoma (cervical) HeLa cell lines. Furthermore, western blot and cell cycle analysis confirms that the novel triazole linked 5-nitro indole derivatives (9b) could down-regulate c-MYC oncogene expression in cancer cells via stabilizing its promoter quadruplex structure, arresting cell cycle in G0/G1 phase. NMR analysis suggests that 9b interacts in slow exchange regime with the terminal G-quartets (5’ and 3’-end).
In chapter IV of the thesis, we have developed the synthetic strategies to generate more potent G4 ligands via Knoevenagel condensation. To investigate novel and selective G4 ligands for cancer chemotherapy, we designed and synthesized a series of azaindolin-2-one derivatives (11, 14, 15, 16 and 22) by attaching cationic pyrrolidine side chains and introducing a fluorine atom into the aromatic chromophore (Fig. 3). Fluorine atoms, with high electronegativity and small size, often exhibit unique properties in functional molecules. The electron-withdrawing effect of fluorine could reduce the electron density of the aromatic chromophore, which might favor a stronger interaction with the electron-rich π-system of the G-quartet. In addition, the introduction of fluorine atoms into small molecules might improve lipophilicity and thus the bioavailability. Fluorescent indicator displacement assay (FID) assays suggests that the synthesized azaindolin-2-one derivatives are selective towards c-MYC G4-DNA vs. duplex-DNA and showed potent anticancer activity against human carcinoma (cervical) HeLa cell lines. They down-regulate c-MYC expression in cancer cells via stabilizing its promoter quadruplex structure, arresting cell cycle in G0/G1 phase. Furthermore, NMR spectroscopy suggests that azaindolin-2-one conjugate interacts with terminal G-quartets as well as with the nearby G-rich tract (G13-G14-G15 and G8-G9-G10) of c-MYC quadruplex in intermediate exchange regime.
Im Forschungsgebiet der Proteomik hat sich die Massenspektrometrie als essenzielles Werkzeug etabliert. Zur Probengewinnung und deren Präparation für die chromatogra-phische Trennung und massenspektrometrische Analyse existieren eine Vielzahl von Protokollen, deren Verwendung jedoch unterschiedlichste Vor- und Nachteile mitbringt. Im Idealfall wäre ein solches Protokoll schnell und kostengünstig durchführbar, würde mit hoher Robustheit die Proteine aus den Ausgangszellmaterial quantitativ extrahieren und Probenverluste auf ein Minimum beschränken. Ziel dieser Arbeit war es, in einem strukturierten Ansatz sich diesem Ideal zu nähern und mögliche Kompatibilitaten mit anderen Methoden wie dem Arg-C analogen Proteinverdau zu untersuchen. Als Maß-stäbe dienen hierbei die aktuellen Standardprotokolle: die Acetonfällung der Proteine mit anschließender Solublisieung und das FASP-Protokoll, bei dem die zur Proteinpro-zessierung notwendigen Arbeitsschritte auf einer Größenausschlussmembran stattfinden. Dazu wurde zunächst das Adsorptionsverhalten von Proteinen auf den Silica-Oberflächen paramagnetischer Beads untersucht und dabei insbesondere der Einfluss von Chemikalien zur Zell-Lyse und den im Anschluss verwendeten Reduktions- und Alkylierungsreagenzien analysiert. Dabei wurde festgestellt, dass die Proteine aus dem Totalzelllysat sehr effektiv an die Silicaoberfläche binden und dass der Prozess der Re-duktion von Disulfidbrücken mit nachfolgender Carbamidomethylierung positiv zur Adsorption beiträgt und negative Einflüsse auf die Immobilisierung negieren kann. Dar-aus wurde ein Protokoll zur kombinierten Lyse, Aufreinigung, Modifikation und Proteo-lyse (abgekürzt: ABP) entwickelt. Parallel dazu konnte die Kompatibilität des Protokolls mit dem ArgC-analogen Verdau gezeigt werden und in der Folge konnte die Komple-mentarität der Methoden erfolgreich getestet werden. Mit frischen Zell-Lysaten wurde der Einfluss der Lysisreagentien unter Einschluss einer kommerziellen Variante ("Bug-buster" Lysis-Puffer) bestimmt und Harnstoff konnte als Mittel der Wahl definiert wer-den, da mit diesem höhere Identifikationszahlen erreicht wurden, lipophile Proteine vermehrt in der Probe erhalten blieben und größere Ionscores ermittelt werden konnten. Das Potential von ABP wurde im Direktvergleich mit FASP und dem Verdau in Lösung anhand eines humanen Proteoms genauestens untersucht, wobei eine konsequente Ver-besserung gegenüber beiden Methoden festgestellt werden konnte, insbesondere im Hinblick auf Praktikabilität und die Zahl der erforderlichen Arbeitsschritte, Reprodu-zierbarkeit und Zahl der identifizierten Peptide. Ein Bias des ABP zugunsten spezieller Proteineigenschaften konnte nach ausführlicher Analyse der identifizierten Proteine und Peptide nicht festgestellt werden. Eine vermehrt auftretende Oxidation von Methionin wurde identifiziert, allerdings zeigten sich keine negativen Auswirkungen auf die Pro-teinidentifizierungen. Zur Unterdrückung potentieller und unerwünschter Nebenpro-dukte in Form von Methylierungen, die als Folge des ursprünglichen ArgC-analogen Verdaus36 auftreten, wurde mit Verwendung von Acetonitril eine Alternative erfolg-reich getestet. Ein humanes Proteom wurde mittels des formulierten Protokolls sowohl tryptisch als auch mit ArgC-analogen Verdau (mit Acetonitril bzw. Methanol) analysiert. In diesem Zusammenhang wurde die Vollständigkeit der Modifikation der Lysine unter Verwendung von ACN mit zufriedenstellenden 99% bestätigt und die unerwünschte Carbamylierung der Aminosäure durch Harnstoff als Lysisreagenz konnte ausgeschlos-sen werden. Beide Ansätze zum ArgC-analogen Verdau erwiesen sich zudem gegenüber der tryptischen Variante als überlegen, was sich in einer Erhöhung der Identifikations-zahlen des humanen Proteoms widerspiegelt. Insbesondere wenig abundante Proteine, Histone und membranassoziierte Proteine bildeten den Großteil der zusätzlich identifi-zierten Proteine. Zusätzlich konnte eine günstigeres Fragmentierungsverhalten beobach-tet werden. Die effektiven Grenzen des ABP im Hinblick auf die erforderliche Protein-menge wurden untersucht und beschrieben. Der zu erwartende Zusammenhang zwi-schen abnehmender Proteinmenge und Identifikationszahlen niedrig abundanter Protei-ne wurde bestätigt und ein effektiver Grenzwert von 5µg Ausgangsmenge humanen Proteoms ermittelt. Abschließend wurden Dauer und Aufwand der Probenvorbereitung durch Etablierung paralleler Reduktion, Carbamidomethylierung und Propionylierung minimiert und damit zusätzlich Probenverluste reduziert. Die dadurch erreichte Erhö-hung der Identifikationszahlen ergab sich wiederum aus der höheren Repräsentanz nied-rig abundanter Proteine.
Im Rückblick ist es überraschend, dass die Verwendung der Adsorptionstendenzen von Proteinen bisher keine größere Rolle in der Probenvorbereitung proteomischer Analysen eingenommen hat. Die symbiotisch wirkende, aktive Denaturierung als Resultat der durchgeführten Derivatisierung zur Analysenpräparation macht die Adsorption auf Sili-ca-Oberflächen zum prädestinierten Mittel der Probengewinnung und schafft die Vo-raussetzung für die erreichte Verkürzung der Arbeitsabläufe und Verbesserung der Ergebnisse.
Ein wichtiges Teilgebiet der Organokatalyse stellt die Wasserstoffbrücken-vermittelte Katalyse dar. Als erfolgreiche katalytische Einheiten haben sich dabei diejenigen Systeme ausgezeichnet, die in der Lage sind mindestens zwei Wasserstoffbrücken zeitgleich auszubilden. Zu den bekanntesten Vertretern zählen hierbei sicher (Thio-) Harnstoffe sowie Guanidinium- und Amidinium-Ionen.
Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit wurden drei Katalysatortypen mit Amidin- und Guanidingrundgerüst synthetisiert. Zum Einen wurde ein neues axial-chirale Amidin mit zusätzlicher Thioharnstoff-Funktion synthetisiert. Hierfür wurden drei aromatische Fragmente mittels zweier Suzuki-Kupplungen verknüpft und im Nachhinein mit einem chiralen Aminoalkohol über eine Williamson-Ethersynthese kondensiert. Die basenvermittelte, diastereoselektive Makrocyclisierung lieferte das axial chirale Amidin und stellte den Schlüsselschritt der Synthese dar. Schließich konnte durch Addition des erhaltenen Anilin-Derivats an ein Aryl-Isothiocyanat die Thioharnstoff-Funktionalität eingeführt werden.
Zum Anderen wurde eine Reihe an C2-symmetrischer Bisamidine hergestellt. Sie wurden in einer N-Acetylcystein-katalysierten Reaktion zwischen Phthalonitril und den entsprechenden chiralen, vicinalen Diaminen hergestellt. Die erhaltenen Ausbeuten der Bisamidine wurden unmittelbar durch den sterischen Anspruch der Substituenten des jeweils eingesetzten Diamins bestimmt. Auf der einen Seite konnten bei Verwendung 1- und 2-Naphthyl-substituierter Diamine nur mäßige Ausbeuten erzielt werden. Auf der anderen Seite konnte man durch den Einsatz kleinerer Reste wie Phenyl nahezu quantitative Ausbeuten erzielen. Die Herstellung chiraler, vicinaler Diamine wurde über eine Diaza-Cope-Umlagerung realisiert.
Schließlich wurde ein C2-symmetrisches bicyclisches Guanidin hergestellt. Die Synthese begann mit einer Knoevenagel-artigen Kondensationsreaktion und anschließender Veresterung der erhaltenen Carbonsäure. Kinetische Racematspaltung des racemischen Esters unter Verwendung einer Lipase lieferte enantiomerenreines (S)-β-Phenylalanin, welches als Ausgangverbindung der überwiegend linearen Synthese diente. Das im Zuge der Synthese hergestellte chirale Triamin wurde schließlich mithilfe von Dimethyltrithiocarbonat zum Guanidin cyclisiert.
Alle drei Katalysatortypen wurden für die enantioselektive Steuerung diverser Reaktionen eingesetzt, u. A. der Diels-Alder-, Morita-Baylis-Hillman-, Friedel-Crafts-Reaktion und dem Schlüsselschritt der Quinkert-Dane-Estron-Synthese. Bei Letzterem handelt es sich um eine Diels-Alder-Reaktion, um den C-Ring eines Steroidgerüsts aufzubauen, welches durch wenige chemische Transformationen in das bedeutende weibliche Sexualhormon Estron überführt werden kann.
In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen an zwei verschiedenen Retinalproteinen durchgeführt. Das erste analysierte Retinalprotein, Channelrhodopsin 2, wurde hauptsächlich auf die Beziehung zwischen Retinalisomerisierung und Photozyklus bzw. Funktionalität untersucht. Hierfür wurde das Chromophor all-trans Retinal durch verschiedene, sterisch anspruchsvolle, Retinalanaloga ersetzt. Das 9,12-Phenylretinal wurde bereits in BR erfolgreich eingesetzt, um die Isomerisierung des all-trans Retinals zum 13-cis Retinal in der Bindetasche zu verhindern und die Funktionalität des Proteins zu stoppen. In ChR2 hingegen kann das Phenylretinal nach Lichtanregung isomerisieren und ein Photoprodukt bilden, welches anschließend einen modifizierten Photozyklus durchläuft. In diesen Photozyklus zerfällt das erste Photoprodukt P1' sehr schnell und bildet ein zusätzliches Intermediat, Px, welches zeitlich zwischen dem P1' und P2' Intermediat liegt und eine grundzustandsähnliche Absorptionsbande besitzt. Im Vergleich zum Wildtyp läuft der modifizierte Photozyklus schneller ab als im Wildtyp und das Protein behält seine Funktion. Ein weiteres Retinalanalogon ist das trans-locked Retinal, welches sich als schwierig in das Protein einzubauen erwies. Dies resultierte in zwei verschiedenen Absorptionsbanden, wobei nicht klar war, welche die mit dem korrekt eingebauten Retinal war. Beide Banden wurden in Ultrakurzzeitexperimenten angeregt, hierbei stellte sich heraus, dass die bathochrom verschobene Spezies das korrekt eingebaute Retinal besitzt, da diese auch eine Schwingungsfeinstruktur, wie auch der Wildtyp, zeigt. Das trans-locked Retinal kann ChR2 erfolgreich an der Isomerisierung hindern und zeigt nach dem Zerfall des angeregten Zustandes keine Photoprodukt-Bildung.
Bei dem zweiten Retinalprotein, welches in dieser Arbeit untersucht wurde, handelt es sich um Krokinobacter eikaustus rhodopsin 2. Zuerst wird in dieser Arbeit die Primärreaktion des Proteins untersucht. Diese wurde unter verschiedenen Salzbedingungen, welche wichtig für die spätere Funktion des Proteins sind, jedoch auch Einfluss auf die Ultrakurzzeitdynamik des Proteins nehmen, analysiert. Der angeregte Zustand des Proteins zerfällt biexponentiell, wobei die erste Komponente den reaktiven Pfad und die langsamere Komponente den nicht-reaktiven Pfad beschreibt. Der reaktive Pfad bildet innerhalb einiger hundert Femtosekunden das bathochrom verschobene, isomerisierte J Intermediat, welches durch Kühlprozesse auf der unteren Pikosekundenzeitskala in das K Intermediat übergeht. Beim nicht-reaktiven Pfad zerfällt der angeregte Zustand innerhalb einiger Pikosekunden und geht in den Grundzustand über, ohne dass eine Isomerisierung des Retinals stattfindet. Sind Na+ oder K+ Ionen in der Lösung anwesend, sind diese Prozesse gleich schnell. In Abwesenheit dieser Ionen wird der nicht-reaktive Pfad stärker populiert und zerfällt langsamer. Das gleiche salzabhängige Verhalten konnte mit der Mutante H30A gezeigt werden. Die Aminosäure H30 sitzt im Interface zweier Oligomere in der Nähe der extrazellulären Na+ Bindestelle. Durch die Mutation von Histidin zu Alanin, wird das Protein fast ausschließlich zu einer Na+-Pumpe und pumpt kaum noch Protonen. Die Ultrakurzzeitdynamik bleibt jedoch unbeeinflusst davon und unterscheidet sich nicht vom Wildtyp. Neben dem normalen all-trans Retinal wurden auch hier, wie schon für Channelrhodopsin 2, Retinalanaloga im Wildtyp untersucht, hier hauptsächlich unter dem Aspekt der Farbanpassung. Die hier verwendeten Analoga waren das A2 Retinal und das MMA Retinal (MMAR), die beide durch die Erweiterung des -Systems zum Grundzustand rotverschobene Absorptionsspektren aufweisen. Das A2 Retinal besitzt eine weitere Doppelbindung und das MMAR zwei weitere Doppelbindungen im -Jonen Ring im Vergleich zum Retinal. Das MMAR hat zusätzlich noch eine weitere Methylamino-Gruppe. Durch das größere -System hat das MMAR auch die größere Rotverschiebung im Spektrum. Beide Retinalanaloga zeigen sehr breite ESA Banden und isomerisieren nur zu einem geringen Prozentsatz, die Hauptpopulation der angeregten Moleküle geht über den nicht-reaktiven Pfad zurück in den Grundzustand.
Der Photozyklus von KR2 wurde ebenfalls untersucht. Hierbei wird unter anderem das Verhalten des Proteins unter verschiedenen pH- und Salzbedingungen analysiert. Hierbei konnte festgestellt werden, dass die Dynamik des Natrium-Pump-Zyklus unabhängig vom pH Wert ist. In einem pH Bereich zwischen 6 und 9.5 ändern sich die Lebenszeiten des Zyklus nicht signifikant, jedoch wird die Amplitude des O Intermediats, welches als Indikator für den (nicht Protonen) Ionentransport genutzt wird, bei niedrigem pH Wert geringer. Die geringere Amplitude weist auf einen geringeren Na+-Transport hin. Dies liegt an der Kompetition der zu transportierenden Ionen, in diesem Fall Na+ und H+. Ist die H+ Konzentration viel höher als die Na+ Konzentration, so fängt das Protein an H+ zu pumpen. Unter physiologischen Bedingungen handelt es sich bei KR2 jedoch um eine reine Na+-Pumpe. Sind Kalium-Ionen bei pH 9.5 anwesend, so zeigt das Protein wie auch beim Natrium-Pump-Zyklus ein starkes O Intermediat, was darauf hindeutet, dass auch K+ transportiert werden kann. Dies konnte von Dr. Janina Sörmann (Arbeitsgruppe Bamberg, MPI für Biophysik Frankfurt) auch in elektrophysiologischen Messungen gezeigt werden. Bisher wurde in der Literatur davon ausgegangen, dass K+ vom Wildtyp nicht transportiert werden kann. Um die Photozyklusdynamik des Natrium-Pumpzyklus besser verstehen zu können, wurde die Temperaturabhängigkeit des Photozkylus mit Hilfe der Target Analysis untersucht. Hierbei stellte sich heraus, dass das simple sequentielle Modell K -> L -> M -> O -> GS die besten Fitresultate liefert, obwohl viele verschiedene Modelle mit Verzweigungen oder Rückraten ebenfalls getestet wurden. Resultat der Target Analysis sind unter anderem die Evolution Associated Difference Spectra (EADS). Diese beinhalten die Differenzspektren der einzelnen Zustände, welche um das Grundzustandsbleichen korrigiert werden können, um die Evolution Associated Spectra (EAS) zu bilden. Durch Entfaltung dieser EAS (auf der Energieskala) konnten die Reinspektren der einzelnen Photointermediate K, L, M und O berechnet werden. Auffällig hierbei war, dass das M Intermediat eine geringere Blauverschiebung als erwartet aufwies, was höchstwahrscheinlich an der Elektrostatik in der Retinal-Bindetasche liegt. Durch die Entfaltung der Spektren konnten ebenfalls die Gleichgewichte, welche zu schnell sind, um in der Target Analysis aufgelöst zu werden, bestimmt werden. Die K, L und M Intermediate stehen, je nach Temperatur, in verschiedenen Gleichgewichten zueinander, während das O Intermediat, keine Gleichgewichte eingeht und nur separiert von den anderen Intermediaten auftaucht. Dies bedeutet, dass sich zwischen M und O Intermediat ein unidirektionaler Schritt im Photozyklus befinden muss. Dieser hängt wahrscheinlich mit dem Na+-Transport zusammen, da das Ion beim Übergang vom M zum O aufgenommen und an der Schiffbase vorbei transportiert werden muss.
Um den Photozyklus besser untersuchen zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Anlage zur transienten Blitzlichtphotolyse aufgebaut und die bestehende Breitband-Blitzlichtphotolyse automatisiert und verbessert. Hierfür wurden mithilfe von MATLAB und LABVIEW verschiedene Programme zur Datenakquisition, -verarbeitung und -analyse geschrieben. Für die transiente Blitzlichtphotolyse musste ein Datenreduzierungsprogramm entwickelt werden, um die mehrere Gigabyte großen Datensätze auf eine verarbeitbare Größe, mit gleichzeitiger Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses, zu bringen. In der Breitband-Blitzlichtphotolyse konnte ein Pulsverzögerungsgenerator als zentrale Steuereinheit aller Komponenten der Breitband-Blitzlichtphotolyse eingesetzt und programmiert werden, um das Messverfahren zu automatisieren. Anschließend musste noch ein neues Datenverarbeitungsprogramm geschrieben werden, welches die Daten für die anschließende Analyse zusammenstellt und vorbereitet. Die neuen Programme gewähren einen reibungslosen Anschluss an die Analysesoftware OPTIMUS, welche in der Arbeitsgruppe genutzt wird.
Most fungal fatty acid synthases assemble from two multidomain subunits, α and β, into a heterododecameric FAS complex. It has been recently shown that the complex assembly occurs in a cotranslational manner and is initiated by an interaction between the termini of α and β subunits. This initial engagement of subunits may be the rate-limiting phase of the assembly and subject to cellular regulation. Therefore, we hypothesized that bypassing this step by genetically fusing the subunits could be beneficial for biotechnological production of fatty acids. To test the concept, we expressed fused FAS subunits engineered for production of octanoic acid in Saccharomyces cerevisiae. Collectively, our data indicate that FAS activity is a limiting factor of fatty acid production and that FAS fusion proteins show a superior performance compared to their split counterparts. This strategy is likely a generalizable approach to optimize the production of fatty acids and derived compounds in microbial chassis organisms.
Since the early 2000s, nucleic acid aptamers have gained considerable attention of life science communities. This is in particular due to the fact that aptamers are known to function as artificial riboswitches, which presents an efficient way to regulate gene expression. A promising candidate is the tetracycline-binding RNA aptamer (TC-aptamer) since the TC-aptamer is known to function in vivo and exhibits a very high affinity towards its ligand tetracycline (TC) (Kd = 800 pM at 10mM Mg2+). Although a highly resolved crystal structure exists in the ligand bound state, questions related to dynamics cannot be answered with X-ray crystallography. In this work, pulsed electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy was used to study different biochemical and structural aspects of the TC-aptamer.
On the one hand, pulsed hyperfine spectroscopy was used to study the binding of TC via Mn2+ to the TC-aptamer at lower and thus more physiological divalent metal ion concentrations. In a first step, a protocol for the relatively new pulsed hyperfine technique electron-electron double resonance detected NMR (ELDORdetected NMR or just EDNMR) was developed for Q-band frequencies (34 GHz). After a successful verification of the EDNMR technique at Q-band frequencies on Mn2+ model complexes ([Mn(H2O)6]2+ and Mn-DOTA), two dimensional hyperfine techniques were used to confirm the formation of a ternary RNA-Mn2+- TC complex at physiological divalent metal ion concentrations. Correlation signals between 13C (13C-labeled TC) and 31P (from the RNA backbone) to the same Mn2+ electron spin were detected with 2D-EDNMR and triple hyperfine correlation spectroscopy (THYCOS).
On the other hand, pulsed electron-electron double resonance (PELDOR) spectroscopy on a doubly nitroxide-labeled TC-aptamer was used to investigate the conformational rearrangement upon ligand binding and how the conformational flexibility is affected by different Mg2+ concentrations. The Çm spin label was used as a nitroxide spin probe. Due to its rigidity and low degree of internal flexibility, the Çm spin label yields very narrow distance distributions and pronounced orientation selection (OS). As a consequence, the width of the distance distributions can be used to draw conclusions about the conformational flexibility of the spin-labeled helices. Analysis of the distance distributions showed that at high Mg2+ concentrations, the TC-aptamer is in its folded state, irrespective of the fact if TC is present or absent. Orientation selective PELDOR revealed that the orientation of the spin-labeled helices in frozen solution is the same as in the crystal structure. First Mn2+-nitroxide pulsed electron electron double resonance (PELDOR) measurements on a singly nitroxide-labeled and Mg2+/Mn2+-substituted TCaptamer at different Mn2+ concentrations in the presence and absence of TC gave insight into the affinities of the additional divalent metal ion binding sites of the TC-aptamer.
The enzyme 5-lipoxygenase (5-LO) occupies a central role in the biosynthesis of inflammatory leukotrienes and thus takes part in the pathogenesis of related diseases. Its occurrence is mainly restricted to cells of the immune system including granulocytes, monocytes/macrophages or B-lymphocytes and can be induced by cell differentiation of myeloid cells after treatment with differentiating agents, such as DMSO, retinoic acid or the combination of TGFβ/1,25(OH)2D3. The latter contribute to the highest level of induction of mRNA and protein expression. Its cell specific occurrence is at least partly due to DNA methylation in cells that do not exhibit 5-LO activity and genetic regulation is further dependent on histone acetylation. 5-LO expression is controlled by transcription factors binding to the promoter sequence of the ALOX5 gene that induce basal promoter activity, as well as promoter independent effects including transcript initiation and elongation, which are mostly attributed to TGFβ/1,25(OH)2D3 signaling. The ALOX5 gene resembles a typical housekeeping gene, hence lacks TATA- or CAAT-boxes for transcriptional regulation, but displays a high GC-content with eight GC-boxes, five of which are arranged in tandem, that provide binding sites for transcription factors Sp1, Sp3 and Egr-1.
The proximal ALOX5 promoter is furthermore a target for additional factors, such as TGFβ effector proteins SMADs or the vitamin D receptor and possesses additional consensus sequences for transcriptional regulators, including NF-κB or PU.1. However, as yet no actual binding of these proteins to the promoter sequence was demonstrated and an unbiased screening for identifying further ALOX5 promoter interacting proteins, which might have impact on 5-LO expression, is still lacking. For this purpose, the present study focused on the identification of significantly interacting proteins, employing DNA-affinity enrichment coupled to label-free quantitative proteomics, spanning a sequence of about 270 base pairs of the proximal ALOX5 promoter. For the elucidation of potential cell specific differences in protein patterns and compositions, DNA pulldowns were performed by using oligonucleotide stretches comprising the core promoter sequence including the 5-fold GC-box, which were incubated with different cell lines and differentiation states of myeloid, as well as B-lymphocytic lineages. In order to compare different mass spectrometric quantification strategies that would allow for identification of interactors, dimethyl labeling and label-free techniques were used. Since the label-free approach outperformed the label-based one in initial experiments, it was established as standard quantification strategy in all DNA pulldowns performed. The pulldowns of myeloid cell lines in both undifferentiated and differentiated state and B-lymphocytes resulted in a cell-unspecific protein pattern whose composition was similar, regardless of cell lineage. Additionally, further DNA sequences comprising either a vitamin D response element or a SMAD binding element were investigated in the promyelocytic model cell line HL-60 in both undifferentiated and differentiated state. The identified proteins confirmed known interaction partners and furthermore revealed novel potential regulators of the 5-LO promoter. Out of these, the most prominently identified and promising proteins included transcription factors of the KLF- and CCAAT/enhancer binding protein-family. In this context, KLF5 and KLF13 are both involved in the regulation of inflammatory processes, the former additionally being an effector protein of TGFβ-signaling, whose functional characterization is of utmost interest in terms of regulation of 5-LO expression. Further protein characterization will be inevitable for the CCAAT/enhancer binding proteins C/EBPα, C/EBPβ and C/EBPε. These transcription factors are involved in the regulation of inflammatory processes and heterodimers thereof (C/EBPα/β) are known to control TGFβ/1,25(OH)2D3-mediated effects of the CD14 gene.
Several of the identified proteins of the pulldowns containing the tandem GC-box represented interactors of G-quadruplex DNA, including the helicases BLM and DHX36, the ribonucleoproteins hnRNP D and hnRNP K and transcription factor MAZ. Since G-quadruplexes form in G-rich DNA sequences as secondary DNA structures and exhibit substantial regulatory effects on the transcription of their target genes, the potential formation thereof in the ALOX5 core promoter sequence was investigated in a second project. Out of the proteins mentioned above, MAZ is shown to exert resolving effects on G4-DNA and synergistically induce Sp1-dependent gene activation of oncogene h-RAS, which displays analogous promoter characteristics to the ALOX5 gene. A DNA stretch comprising the tandem GC-box was used for elucidating the potential of secondary DNA structure formation. Intriguingly, both immune-based and spectroscopic methods provided clear evidence for the in vitro G-quadruplex formation of the proximal promoter sequence for the first time. In order to provide additional information on a possible regulatory effect of existing G-quadruplex structures on 5-LO transcription, differentiated HL-60 cells were subsequently treated with two distinct G4-DNA stabilizing agents. A porphyrin analogon (TMPyP4) did not exhibit any effects on 5-LO mRNA and protein expression after cell treatment. A second G4-DNA stabilizing agent (pyridostatin) on the other hand revealed significant reduction on 5-LO protein expression after cellular treatment. These mixed results render further experiments inevitable, in order to provide a clear assertion as to whether 5-LO expression is regulated by G-quadruplex structures or not.
Altogether, this study enlarges the knowledge of ALOX5 proximal promoter interacting proteins by corroborating the binding of already known transcription factors and identifying novel interactors. It yields essential groundwork for subsequent functional studies of proteins involved in 5-LO transcription and introduces G-quadruplexes as a new potential mechanism in ALOX5 gene regulation.
Metabolites such as lactate and free fatty acids (FFAs) abundantly occur in high concentrations in tumor and stromal cells of solid malignancies. Their known functions comprise the allocation of nutrients and intermediates for the generation of cell components, the evasion of immune destruction, the induction of vessel formation and the stimulation of cell migration in order to promote tumor growth, progression and metastasis. However, the role of metabolites as signaling molecules and the downstream mechanisms of metabolite receptor mediated signaling in tumor and stromal cells is poorly understood. Our study confirms the expression of Hydroxycarboxylic acid receptor 1 (HCA1) in solid human breast tumors and the expression of Free fatty acid receptor 4 (FFA4) in solid human colorectal tumors. In addition, the expression of HCA1 in human breast cancer cell lines as well as the expression of FFA4 in human colorectal cancer cell lines was proved. Moreover, our research reveals the expression HCA2, FFA2 and FFA4 in tumor associated macrophages (TAMs).
To test whether the loss of any of the metabolite receptors affects tumor growth and progression we utilized a syngeneic Lewis lung cancer (LLC1) tumor model, an azoxymethane (AOM) – dextran sulfate (DSS) colorectal cancer model and a Mouse mammary tumor virus Polyoma Virus middle T antigen (MMTV-PyMT) breast cancer model. The loss of HCA2 did not lead to a changed outcome compared to wild type littermates in any of the models. Likewise, the deletion of FFA4 had no influence on the LLC1 model and, surprisingly, tumor number and area in the AOM-DSS model also remained unaltered. The impact of HCA1 deficiency was investigated utilizing the MMTV-PyMT model and revealed a moderately improved tumor growth. The absence of FFA2 did not affect tumor growth in the LLC1 model but led to an increased number of colorectal tumors in the AOM-DSS model while the tumor area remained unchanged. The most compelling results were obtained upon the deletion of FFA2 in the MMTV-PyMT model. Here, we demonstrate that the loss of FFA2 significantly reduces tumor latency and also significantly improves tumor growth. Nevertheless, the formation of metastases in the LLC1 model and the MMTV-PyMT model did not show any changes upon the loss of any of the metabolite receptors.
Together, our results describe a tumor-protective effect of FFA2 with an unclear impact on metastatic processes. Considerations about putative mechanisms of short chain fatty acid (SCFA) mediated FFA2 signaling suggest potential targets for pharmacological interventions to treat mammary tumors.
Lange ging man davon aus, dass die Physiologie der Thyroidhormone weitestgehend erforscht ist und nahm an, dass sämtliche Thyroidhormon-Wirkungen auf einer Bildung von L-Thyroxin (T4) und einer anschließenden Deiodierung zu Triiodthyronin (T3) beruhen, welches an die nukleären Thyroidhormon Rezeptoren (THRs) bindet. Über die THRs werden genomische Signalwege vermittelt, die während der Wachstums- und Entwicklungsphase essentiell sind. Beim Erwachsenen werden zudem vorwiegend katabole Stoffwechsel-Prozesse induziert. Jedoch zeigte sich in den letzten 20 Jahren, dass die Signalwege der Thyroidhormone komplexer sind als bisher angenommen. Vor allem die Metabolite des in der Schilddrüse gebildeten T4s, zeigen ein breites Interaktions-Profil mit anderen molekularen Zielstrukturen. Thyronamine, die decarboxylierten Thyroidhormon-Metabolite, binden beispielsweise den G-Protein-gekoppelten Trace Amine Associated Receptor 1 (TAAR1). Wird dieser Rezeptor aktiviert, kommt es innerhalb kürzester Zeit zu einem rapiden Abfall der Köpertemperatur, sowie zu einer akuten Bradykardie. Die durch oxidative Deaminierung gebildeten Iodthyroacetate Tetraiodthyroacetat (TETRAC) und Triiodthyroacetat (TRIAC) sind Antagonisten des Membran-Rezeptors Integrin αVβ3 und besitzen antiproliferative und pro-apoptotische Eigenschaften.
In dieser Arbeit sollte die Hypothese untersucht werden, ob Thyroidhormone neben diesen neuen zumeist nicht-genomischen Signalwegen, auch THR-unabhängige genomische Wirkmechanismen besitzen.
Mit Hilfe eines Gal4-Luciferase-Reportergen-Assays wurde in einem Screening die Aktivität einiger Thyroidhormone und Thyroidhormon-Metabolite an elf THR-ähnlichen Rezeptoren und den drei Retinoid X Rezeptor (RXR)-Subtypen untersucht. Es konnte detektiert werden, dass Thyroidhormone, vor allem TETRAC, potente Peroxisom-Proliferator-aktivierter Rezeptor (PPAR)γ-Agonisten sind, die zum Teil zusätzlich dessen Heterodimer-Partner RXR aktivieren können. Diese PPARγ- und RXR-Aktivität wurde zunächst mit Hilfe eines Coaktivator-Rekrutierungs-Assays, einer Isothermen Titrationskalorimetrie (ITC) und einer Kristallstrukturanalyse genauer charakterisiert. Zum einen konnte nachgewiesen werden, dass sowohl PPARγ, als auch RXR in artifizielleren Testsystemen durch Thyroidhormone aktiviert werden. Zum anderen konnte die für permissive Heterodimere, wie das PPARγ/RXR-Heterodimer, typische additive Transaktivierungs-Effizienz nach Bindung beider Heterodimer-Partner bestätigt werden. Außerdem zeigte die Untersuchung der Kristallstruktur von TETRAC und PPARγ, dass Thyroidhormone einen abweichenden Bindungsmodus im Vergleich zu anderen PPARγ Agonisten, wie den Glitazonen und entsprechende Fettsäuren oder Fettsäuremimetika, besitzen.
Die Evaluation der biologischen Relevanz der PPARγ/RXR-Heterodimer-Aktivierung ergab zudem, dass TETRAC, als potentester PPARγ-Agonist, in der Lage ist die Differenzierung von Präadipocyten zu Adipocyten zu induzieren. Außerdem wurde die mRNA-Expression wichtiger PPARγ-regulierter Gene in Hepatozyten trotz knockdown beider THR-Isoformen signifikant durch Thyroidhormone induziert.
Für eine erste Abschätzung einer möglichen physiologischen Relevanz der PPARγ/RXR-Aktivierung durch Thyroidhormone, wurde die Bildung von TETRAC nach Inkubation von Hepatozyten mit T4 quantifiziert. Es konnte festgestellt werden, dass ausreichend TETRAC in den Hepatozyten gebildet werden kann, um PPARγ zu aktivieren. Auch in einem in vivo-Experiment, bei dem Mäusen ein mit Brom substituiertes T4-Analog (Br-T4) appliziert wurde, um Interferenzen mit der endogenen Thyroidhormon-Produktion zu verhindern, konnte gezeigt werden, dass die PPARγ-regulierte Genexpression in den Lebern der Tiere induziert wurde. Dies deutete auf eine physiologisch relevante Bildung von Br-TETRAC hin, da Br-TETRAC analog zu TETRAC eine hohe Bindungs-Aktivität an PPARγ besaß, während Br-T4 keine Aktivität an diesem Rezeptor aufwies.
Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass Thyroidhormone neben den THR-vermittelten Effekten auch andere genomische Wirkmechanismen besitzen, indem sie das PPARγ/RXR-Heterodimer aktivieren. Diese biologische Aktivität könnte sowohl eine physiologische als auch eine pharmakologische Relevanz besitzen. Die beiden T4-Metabolite T3 und TETRAC sind in der Lage komplementäre Signalwege zu induzieren. Wird T4 deiodiert kommt es zur Bildung von T3, welches den THR aktiviert. Durch oxidative Deaminierung des T4s bildet sich TETRAC, das wiederum PPARγ bindet und aktiviert. Durch die vermehrte Bildung von TETRAC und anschließende Aktivierung von PPARγ könnte die katabole Wirkung der THR-Signalwege abgeschwächt werden und so eine Art negative Rückkopplung gewährleistet werden. Die physiologische Bedeutung der Interaktion von Thyroidhormonen mit PPARγ/RXR muss jedoch noch genauer untersucht werden.
Aber auch pharmakologisch könnte die Iodthyroacetat-Aktivität an PPARγ eine Rolle spielen. TETRAC könnte durch seinen individuellen Bindungsmodus als Leitstruktur für neue PPARγ-Partialagonisten mit verbessertem Nebenwirkungs-Profil dienen. Außerdem wird das Thyroidhormon-Derivat TRIAC schon jetzt als Leitstruktur für die Entwicklung von Thyroidhormon-Analoga mit THRβ-Selektivität verwendet. Durch die zusätzliche PPARγ-Aktivität könnte zukünftig ein dualer THRβ/PPARγ-Agonist bei Erkrankungen, die mit einer Insulinresistenz einhergehen, Verwendung finden.
Zusammenfassend stellt die Entdeckung der Aktivität von Thyroidhormonen an PPARγ und RXR einen weiteren Baustein im komplexen System der Thyroidhormone dar.
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 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.
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.
Die vorliegende Dissertation gliedert sich in 2 Abschnitte: Im 1. Abschnitt wurden die Auswirkungen des Naturstoffs Phytol auf den Krankheitsverlauf des murinen EAE-Modells charakterisiert, während im 2. Abschnitt die immunmodulierenden Eigenschaften der neuartigen Leitsubstanzen Silvestrol sowie Steroid Substanz 1o untersucht wurden.
Vorarbeiten zeigten einen positiven Einfluss von Phytol auf den Krankheitsverlauf im murinen EAE-Modell für Multiple Sklerose, eine verringerte Proliferationsfähigkeit von Splenozyten sowie eine Regulation der NOX2 mRNA-Expression (Blum et al., 2018b).
In der vorliegenden Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass die Gabe von Phytol den Prozess der Demyelinisierung im lumbalen Rückenmark deutlich reduzierte und die Anzahl der Immunzellen in den inguinalen Lymphknoten sowie im lumbalen Rückenmark signifikant verringerte. Weiterhin konnte eine Regulation der spezifischen T-Zell Transkriptionsfaktoren T Bet sowie Foxp3 nachgewiesen werden. Es zeigte sich, dass Phytansäure, nicht jedoch Pristansäure, die beiden Metaboliten von Phytol, die Proliferationsfähigkeit der T-Zellen signifikant verringerte. Beide Metaboliten zeigten zusätzlich unterschiedlichen Einfluss auf die T-Zell Subtypen. Hultqvist et al. konnten eine verstärkte Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) durch Phytol nachweisen (Hultqvist et al., 2006). Vorarbeiten zeigten eine Steigerung der mRNA-Expression des ROS-produzierenden Enzymkomplex NOX2 im Verlauf des EAE-Modells sowie eine Regulation der NOX2-Expression im lumbalen Rückenmark und in den inguinalen Lymphknoten durch Phytol (Blum et al., 2018b). Deshalb wurde die Rolle von NOX2 an den Phytol-vermittelten Effekten weiter charakterisiert. Dabei zeigte sich, dass die gesteigerte NOX2-Expression im lumbalen Rückenmark auf die eingewanderten Immunzellen zurückzuführen war. Die von NOX2 im zentralen Nervensystem (ZNS) gebildeten ROS, welche zur Schädigung der Myelinschicht beitragen können, wurden durch die Gabe von Phytol im lumbalen Rückenmark verringert. Untersuchungen in NOX2KO-Mäusen zeigten, dass die beobachteten ex vivo Effekte von Phytol sowie dessen Metaboliten nur teilweise NOX2-abhängig waren. Im murinen EAE-Modell mit NOX2KO-Mäusen zeigte Phytol weiterhin einen positiven Einfluss auf die klinischen Symptome. Auffällig war dabei, dass NOX2KO-Tiere grundsätzlich weniger klinische Scores zeigten als Wildtyp Tiere. In NOX2-Chimären hatte Phytol keinen signifikanten Einfluss auf den Krankheitsverlauf. Grund dafür könnte eine Beschädigung der Blut-Hirn-Schranke bei der Generierung der Chimären und eine damit verbundene verstärkte Infiltration von Immunzellen in das ZNS gewesen sein. Weiterhin konnte Phytol möglicherweise über die geschädigte Blut-Hirn-Schranke verstärkt in das ZNS eindringen und dort über eine gesteigerte ROS-Produktion zu schädigenden Effekten führen.
Die in vivo Daten weisen auf einen überwiegend NOX2-unabhängigen Wirkmechanismus von Phytol hin. Dennoch scheint NOX2 bei einigen Effekten zumindest beteiligt zu sein. Zusammenfassend zeigte die Gabe von Phytol einen überwiegend positiven Einfluss auf den Krankheitsverlauf im murinen EAE-Modell, dennoch ist die Phytol-vermittelte Induktion von NOX2 und die Bildung von ROS kritisch zu sehen, da diese sowohl positive als auch negative Effekte vermitteln und stark von der Quantität sowie der Lokalisation der Bildung abhängig sind.
Im 2. Teilprojekt wurden die immunmodulierenden Auswirkungen der neuartigen Leitsubstanzen Silvestrol sowie Steroid Substanz 1o charakterisiert. Der anti-viral wirksame Naturstoff Silvestrol zeigte dabei diverse Auswirkungen auf die Differenzierung sowie Polarisierung von humanen Makrophagen. Während der Differenzierung inhibierte Silvestrol das anti-inflammatorische bzw. resolutionsfördernde Potential der Makrophagen durch eine Reduktion der resolutionsfördernden Oberflächenmarker CD206 und TREM2. Weiterhin wurde die Sezernierung der anti-inflammatorischen Zyto- bzw. Chemokine IL-10 und CCL18 verringert. Der pro-inflammatorische Phänotyp von M1-Makrophagen wurde weiterhin durch die vermehrte Bildung von TNF-α unterstützt, während bei M2-Makrophagen der anti-inflammatorische bzw. resolutionsfördernde Phänotyp verstärkt wurde. In Dendritischen Zellen schien Silvestrol sowohl die Differenzierung als auch die Aktivierung zu inhibieren, da zahlreiche Oberflächenmarker und sezernierte Zytokine signifikant verringert wurden. Die Stoffwechselwege der oxidativen Phosphorylierung und der Glykolyse wurden sowohl in Makrophagen als auch in Dendritischen Zellen signifikant reduziert. Demnach ist unklar, ob in der Summe die pro- oder anti-inflammatorischen Aspekte von Silvestrol überwiegen und ob der Einfluss auf den Stoffwechsel die Immunantwort beeinträchtigt.
Der anti-parasitäre Wirkstoff Steroid Substanz 1o zeigte keinen negativen Einfluss auf die Viabilität in primären humanen Immunzellen bis zu einer Konzentration von 50 µM und verstärkte das pro-inflammatorische Profil von M1-Makrophagen. Weiterhin wurde der anti-inflammatorische bzw. resolutionsfördernde Phänotyp von M2-Makrophagen unterdrückt und stattdessen die pro-inflammatorischen Aspekte verstärkt. Diese Beobachtungen der veränderten Oberflächenmarker sowie der sezernierten Zytokine wurden weiterhin durch die Veränderung des zellulären Stoffwechsels gestützt. Dabei steigerte Steroid Substanz 1o die Glykolyse in M2-Makrophagen, welche eigentlich für M1-Makrophagen charakteristisch ist. Dadurch kann die Verschiebung der M2-Makrophagen zu einem M1-Phänotyp erklärt werden. Weiterhin beeinträchtigte Steroid Substanz 1o die Differenzierung und Aktivierung von Dendritischen Zellen. Zusammenfassend verstärkte Steroid Substanz 1o überwiegend die pro-inflammatorischen Aspekte der Immunreaktion durch eine Aktivierung der M1-Makrophagen. Bei der möglichen Anwendung als Therapeutikum für Malaria sowie Schistosomiasis kann somit das Immunsystem bei der initialen Abwehr der Parasiten unterstützt werden.
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.
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.
Background: Physiologically-based population pharmacokinetic modeling (popPBPK) coupled with in vitro biopharmaceutics tools such as biorelevant dissolution testing can serve as a powerful tool to establish virtual bioequivalence and set clinically relevant specifications. One of several applications of popPBPK modeling is in the emerging field of virtual bioequivalence (VBE), where it can be used to streamline drug development by implementing model-informed formulation design and to inform regulatory decision-making e.g., with respect to evaluating the possibility of extending BCS-based biowaivers beyond BCS Class I and III compounds in certain cases.
Methods: In this study, Naproxen, a BCS class II weak acid was chosen as the model compound. In vitro biorelevant solubility and dissolution experiments were performed and the resulting data were used as an input to the PBPK model, following a stepwise workflow for the confirmation of the biopharmaceutical parameters. The naproxen PBPK model was developed by implementing a middle-out approach and verified against clinical data obtained from the literature. Once confidence in the performance of the model was achieved, several in vivo dissolution scenarios, based on model-based analysis of the in vitro data, were used to simulate clinical trials in healthy adults. Inter-occasion variability (IOV) was also added to critical physiological parameters and mechanistically propagated through the simulations. The various trials were simulated on a “worst/best case” dissolution scenario and average bioequivalence was assessed according to Cmax, AUC and tmax.
Results: VBE results demonstrated that naproxen products with in vitro dissolution reaching 85% dissolved within 90 minutes would lie comfortably within the bioequivalence limits for Cmax and AUC. Based on the establishment of VBE, a dissolution “safe space” was designed and a clinically relevant specification for naproxen products was proposed. The interplay between formulation-related and drug-specific PK parameters (e.g., t1/2) to predict the in vivo performance was also investigated.
Conclusion: Over a wide range of values, the in vitro dissolution rate is not critical for the clinical performance of naproxen products and therefore naproxen could be eligible for BCS-based biowaivers based on in vitro dissolution under intestinal conditions. This approach may also be applicable to other poorly soluble acidic compounds with long half-lives, providing an opportunity to streamline drug development and regulatory decision-making without putting the patient at a risk.
The electron transport chain (ETC) is used by cells to create an electrochemical proton gradient which can be used by the ATP synthase to produce ATP. ETC, also called respiratory chain, is formed in mitochondria by four complexes (complex I-IV) and mediated by two electron carriers: cytochrome c and ubiquinone. Electrons are passed from one complex to another in a series of redox reactions coupling proton pumping from the negative (N) side of the membrane to the positive (P) side. Complex I can introduce electrons into the ETC by oxidizing NADH to NAD+ and reducing quinone (Q) to quinol (QH2). The process accomplishes pumping of four protons across the membrane. Complex II is another electrons entry point. It catalyzes the oxidation of succinate to fumarate while reducing Q to QH2. Complex III, also called cytochrome bc1 complex, can transfer the electrons from QH2 to cytochrome c and couple to proton pumping. In complex III the Q-cycle contributes four proton translocations: two protons are required for the reduction of one quinone to a quinol and two protons are released to the P side. Complex IV (cytochrome c oxidase), the terminal complex of the ETC, catalyzes the electron transfer to oxygen and pumps four protons to the P side. Structures of ETC complexes are available. However, the structure of a hyperthermophilic cytochrome bc1 complex has not been elucidated till now. Additionally, the dimeric crystal structure of cytochrome c oxidase from bovine has been discussed controversially.
To build up a functional complex, cofactors are required. The active site of A- and B-type cytochrome c oxidases contain the high spin heme a which is synthesized by the integral membrane protein heme A synthase (HAS). HAS can form homooligomeric complexes and its oligomerization is essential for the biological function of HAS. HAS is evolutionarily conserved among prokaryotes and eukaryotes. Despite its importance, little is known about the detailed structural properties of HAS oligomers.
During my PhD studies, I focused on the cytochrome c oxidase (AaCcO), the cytochrome bc1 complex (Aabc1) and the heme A synthase (AaHAS) from Aquifex aeolicus. This organism is one of the most hyperthermophilic ones and can live at extremely high temperatures, even up to 95 °C. Respiratory chain complexes provide energy for the metabolism of organisms, and their structures have been studied extensively in the past few years. However, there has been a lack of atomic structures of complexes from hyperthermophilic and ancient bacteria, so little is known about the mechanism of these macromolecular machines under hyperthermophilic conditions. Therefore, my PhD studies had four main objectives: 1) to structurally and functionally characterize AaCcO, 2) to reveal the mechanism of Aabc1 thermal stability based on its structure, 3) to determine the oligomerization of AaHAS, 4) to provide valuable insights into the relationship between function and oligomerization of AaHAS.
1) Structure of AaCcO
Heme-copper oxidases (HCOs) catalyze the oxygen reduction reaction being the terminal enzymes in the plasma membranes in many prokaryotes or of the aerobic respiratory chain in the inner mitochondrial membrane. By coupling this exothermic reaction to proton pumping across the membrane to the P side, they contribute to the establishment of an electrochemical proton gradient. The energy in the proton electrochemical proton gradient is used by the ATP synthase to generate ATP. HCOs are classified into three major families: A, B and C, based on phylogenetic comparisons. The well-studied aa3-type cytochrome c oxidase from Paracoccus denitrificans (P. denitrificans) represents A-family HCOs. So far, the only available structure of the ba3-type cytochrome c oxidase from Thermus thermophilus represents the B-family of HCOs. This family contains a number of bacterial and archaeal oxidases. The C-family contains only cbb3-type cytochrome c oxidases.
The AaCcO is one of the ba3-type cytochrome c oxidases. Based on the genomic DNA sequence analysis, it has been revealed that A. aeolicus possesses two operons coding for cytochrome c oxidases (two different subunit I genes, two different subunit II genes and one subunit III gene). So far, only subunits CoxB2 and CoxA2 were identified. The presence of the additional subunit IIa was reported in 2012. Moreover, a previous paper reported that AaCcO can use horse heart cytochrome c and decylubiquinol as electron donors and the typical cytochrome c oxidase inhibitor cyanide does not block the reaction completely.
In the course of my PhD studies, I performed heterologous expression of AaCcO in Pseudomonas stutzeri (P. stutzeri) and co-expression with AsHAS in Escherichia coli, respectively. The subcomplex CoxA2 and CoxB2 can be purified from P. stutzeri, however, it lacks heme A. Additionally, a protocol for the heterologous production of cytochrome c555 from A. aeolicus was established. In parallel, I also purified the AaCcO from native membranes according to previously reported methods with some modifications. The activity of AaCcO with its native substrate, cytochrome c555, was 14 times higher than with horse heart cytochrome c.
To enable a detailed investigation and comparison of AaCcO and other cytochrome c oxidases, the cryo-EM structure of AaCcO was determined to 3.4 Å resolution. It shows that the three subunits CoxA2, CoxB2, and IIa are tightly bound together to form a dimer in the membrane. Surprisingly, CoxA2 contains two additional TMHs (TMH13 and TMH14) to enhance the protein stability. The cofactors heme a3, heme b, CuA and CuB are also identified. Interestingly, two molecules of 1,4-naphthoquinone and cardiolipin were observed in the dimer interface. Based on the structure analysis, the AaCcO possesses only the K-pathway for proton delivery to the active site and proton pumping.
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Uncaging approach, native membrane dynamics and lipidic cubic phases in biomolecular solid-state NMR
(2019)
It was previously shown for the Escherichia coli diacylglycerol kinase (DgkA) that enzyme-reactions at the membrane interface can be monitored by solid-state NMR. However, such studies can face problems due to limited accessibility of the active sites: Natural substrates for membrane enzymes, but also ligands for membrane proteins or lipid mediators, are either partitioning into the membrane and cannot be added easily, or if soluble exhibit accessibility restrictions, as they cannot freely pass through lipid bilayers. This situation complicates quantitative kinetic analysis of biochemical processes such as enzyme activity, ligand binding, but also oligomerization or folding reactions in the membrane or at its interface under MAS NMR conditions.
To overcome these limitations the feasibility and possible advantages of the uncaging approach as a new tool for biomolecular solid-state NMR to trigger reactions by light have been explored. DgkA’s enzymatic activity, exemplary of a biochemical process on the membrane interface, was thereby triggered in situ during MAS by light-induced release of its substrates that were rendered inactive with photolabile protecting groups. To be capable of uncaging sufficient amounts of substrate during MAS to follow the enzymatic reaction via 31P real-time NMR measurements, several illumination variants including an existing illumination setup to study retinal proteins under cryogenic conditions via DNP enhanced NMR were tested. As uncaging of micromole amounts of substrates requires a higher flux compared to initiation of a photocycle in retinal proteins, a new illumination setup was built with Bruker Biospin and Leoni Fibertech. It consists of a modified MAS probe and a suitable fiber bundle, allowing to efficiently couple light from high power LEDs into a sapphire rotor containing the sample, without disturbing the magnetic field homogeneity or sample rotation. By reducing the sample volume to the illuminated area up to 60 mM ATP were released by uncaging NPE ATP to initiate DgkA’s activity in several tested membrane mimetics. These mimetics included liposomes and bicelles, which are well established in the field of biomolecular solid state NMR as well as the optically transparent lipidic cubic phase of monoolein, widely used in membrane protein crystallography, but not yet well characterized as membrane mimetic under MAS conditions. A unique and powerful but compared to time and spatial resolution often underrepresented advantage of the uncaging approach for biophysical studies has been demonstrated by successful uncaging of a non-miscible lipid substrate to trigger DgkA’s kinase reaction: Initiation of processes that cannot easily be triggered by mixing. Examples of these are reactions involving highly hydrophobic, membrane partitioning compounds including lipid substrates, ligands or interaction partners, but also oligomerization or folding of biomacromolecules. The herein performed experiments therefore serve as a first demonstration of the uncaging approach’s feasibility and compatibility with a wide variety of membrane mimetics and give a first indication of its potential for a variety of biomolecular solid state NMR experiments.
As high accessibility for solutes has been a second focus for the choice of membrane mimetics, DgkA’s activity in the lipidic cubic phases of monoacylglycerols with its two continuous networks of water channels has been further characterized. Kinetic parameters obtained from 31P real time solid state NMR experiments revealed that DgkA’s activity is similar to activities obtained in swollen cubic phases in a bath solution with wider water channels. Diffusion of ATP in a non swollen cubic phase was however strongly reduced compared to ATP in solution as diffusion measurements showed. Therefore, saturation of the enzyme required distinctly higher ATP concentrations. These results thereby underline the advantage of a non invasive and label free method like NMR to directly gain information about enzymatic reactions of immobilized enzymes in porous materials. The obtained wealth of information from 31P real time NMR experiments and biochemical assays in different membrane mimetics in presence and absence of lipid substrates and activators also provided further insight into DgkA’s enzymatic activity. It confirms ATP binding and hydrolysis in the absence of a lipid substrate, in agreement with the proposed mode of substrate binding, and allowed to estimate the in vivo relevance of previously observed ATPase activity in liposomes.
Further exploration of the cubic phase as membrane mimetic for protein solid state NMR revealed its high stability under MAS at elevated temperatures and capacity to reconstitute sufficient amounts of DgkA. Unlike monoolein, DgkA was cross-polarizable in a cubic phase and exhibited similar dynamics compared to DgkA reconstituted into liposomes, allowing to acquire the herein shown dipolar coupling based 2D protein spectra. As lipidic cubic phases are not containing phospholipids, monoacylglycerols could be especially useful as membrane mimetics for 31P correlation spectra. Initial experiments under DNP conditions, where in liposomes line broadening causes severe overlap of phospholipid signals and unspecific cross polarization highlight this aspect.
In summary, herein reported results of the experiments performed with lipidic cubic phases demonstrate that they are robust and versatile membrane mimetics. They could be of advantage for a variety of solid-state NMR experiments where either optical transparency for efficient illumination is desired, accessibility for solutes and membrane components under MAS is required, or interference of phosphorous signals of other membrane mimetics must be avoided.
In the second chapter of this thesis 1H solid-state NMR as a label free method to probe membrane order and dynamics directly within a cellular and disease relevant context was used to observe the effects of soluble epoxide hydrolase (sEH) encoding gene knock-outs on membrane dynamics. Knock-out of the sEH encoding gene changed the overall membrane dynamics in the physiological temperature range of native membranes derived from mouse brains, making the bulk membrane more dynamic. To confirm that these effects are related to the enzymatic activity of sEH, substrates and products of sEH were added to evaluate their effects on membrane dynamics. 19,20 dihydroxydocosapentaenoic acid (DHDP), a product of sEH, partially reversed the knock out phenotype in a concentration dependent manner whereas the substrate 19,20 epoxydocosapentaenoic acid did not cause any effects. As both polyunsaturated fatty acids did not show differences in phase behavior in a simple phospholipid bilayer these results provide evidence that the previously observed concentration dependent DHDP induced relocation of cholesterol away from detergent resistant lipid raft fractions is associated with alteration of membrane dynamics. Therefore, also the effect of cholesterol removal via cyclodextrin on membrane dynamics was analyzed. Removal of cholesterol led to a similar temperature profile of wild type and knock out membranes thereby supporting the hypothesis that DHDP induced relocation of cholesterol is causing altered membrane dynamics. These alterations have been shown by the lead authors of the collaborative research project to induce relocation of various membrane proteins and are involved in the development of diabetic retinopathy. Furthermore, in this context inhibition of sEH has been shown to inhibit diabetic retinopathy and proposed as target for prevention of one of the leading causes of blindness in the developed world.
In the context of data science, data projection and clustering are common procedures. The chosen analysis method is crucial to avoid faulty pattern recognition. It is therefore necessary to know the properties and especially the limitations of projection and clustering algorithms. This report describes a collection of datasets that are grouped together in the Fundamental Clustering and Projection Suite (FCPS). The FCPS contains 10 datasets with the names "Atom", "Chainlink", "EngyTime", "Golfball", "Hepta", "Lsun", "Target", "Tetra", "TwoDiamonds", and "WingNut". Common clustering methods occasionally identified non-existent clusters or assigned data points to the wrong clusters in the FCPS suite. Likewise, common data projection methods could only partially reproduce the data structure correctly on a two-dimensional plane. In conclusion, the FCPS dataset collection addresses general challenges for clustering and projection algorithms such as lack of linear separability, different or small inner class spacing, classes defined by data density rather than data spacing, no cluster structure at all, outliers, or classes that are in contact. This report describes a collection of datasets that are grouped together in the Fundamental Clustering and Projection Suite (FCPS). It is designed to address specific problems of structure discovery in high-dimensional spaces.
Introduction: In the development of bio-enabling formulations, innovative in vivo predictive tools to understand and predict the in vivo performance of such formulations are needed. Etravirine, a non-nucleoside reverse transcriptase inhibitor, is currently marketed as an amorphous solid dispersion (Intelence® tablets). The aims of this study were 1) to investigate and discuss the advantages of using biorelevant in vitro setups in simulating the in vivo performance of Intelence® 100 mg and 200 mg tablets, in the fed state, 2) to build a Physiologically Based Pharmacokinetic (PBPK) model by combining experimental data and literature information with the commercially available in silico software Simcyp® Simulator V17.1 (Certara UK Ltd.), and 3) to discuss the challenges when predicting the in vivo performance of an amorphous solid dispersion and identify the parameters which influence the pharmacokinetics of etravirine most.
Methods: Solubility, dissolution and transfer experiments were performed in various biorelevant media simulating the fasted and fed state environment in the gastrointestinal tract. An in silico PBPK model for healthy volunteers was developed in the Simcyp® Simulator, using in vitro results and data available from the literature as input. The impact of pre- and post-absorptive parameters on the pharmacokinetics of etravirine was investigated using simulations of various scenarios.
Results: In vitro experiments indicated a large effect of naturally occurring solubilizing agents on the solubility of etravirine. Interestingly, supersaturated concentrations of etravirine were observed over the entire duration of dissolution experiments on Intelence® tablets. Coupling the in vitro results with the PBPK model provided the opportunity to investigate two possible absorption scenarios, i.e. with or without implementation of precipitation. The results from the simulations suggested that a scenario in which etravirine does not precipitate is more representative of the in vivo data. On the post-absorptive side, it appears that the concentration dependency of the unbound fraction of etravirine in plasma has a significant effect on etravirine pharmacokinetics.
Conclusions: The present study underlines the importance of combining in vitro and in silico biopharmaceutical tools to advance our knowledge in the field of bio-enabling formulations. Future studies on other bio-enabling formulations can be used to further explore this approach to support rational formulation design as well as robust prediction of clinical outcomes.
The endosteal bone marrow niche and vascular endothelial cells provide sanctuaries to leukemic cells. In murine chronic myeloid leukemia (CML) CD44 on leukemia cells and E-selectin on bone marrow endothelium are essential mediators for the engraftment of leukemic stem cells (LSC). We hypothesized that non-adhesion of CML-initiating cells to E-selectin on the bone marrow endothelium may lead to superior eradication of LSC in CML after treatment with imatinib than imatinib alone. Indeed, here we show that treatment with the E-selectin inhibitor GMI-1271 in combination with imatinib prolongs survival of mice with CML via decreased contact time of leukemia cells with bone marrow endothelium. Non-adhesion of BCR-ABL1+ cells leads to an increase of cell cycle progression and an increase of expression of the hematopoietic transcription factor and protooncogene Scl/Tal1 in leukemia-initiating cells (LIC). We implicate SCL/TAL1 as indirect phosphorylation target of BCR-ABL1 and as a negative transcriptional regulator of CD44 expression. We show that increased SCL/TAL1 expression is associated with improved outcome in human CML. These data demonstrate the BCR-ABL1-specific, cell-intrinsic pathways leading to altered interactions with the vascular niche via the modulation of adhesion molecules - a strategy therapeutically exploitable in future.
In der vorliegenden Arbeit konnte die Entwicklung und Evaluierung einer neuen Apparatur zur Untersuchung der Freisetzungseigenschaften von kolloidalen Arzneiträgern erfolgreich umgesetzt werden. Verschiedene Prototypen und Versionen des Dispersion Releasers konnten entwickelt und mit Hilfe der Werkstatt des Fachbereiches 14 umgesetzt werden. Dabei ermöglicht die letzte Optimierung (Version 3) den Einsatz beider relevanter Dialysemembranen. Sowohl regenerierte Cellulose als auch Celluloseacetat konnten zur Freisetzungsuntersuchung eingesetzt werden. Vorteilhaft ist diese Optionalität vor allem, da auf diese Weise Partikelsysteme und Wirkstoffe mit unterschiedlichen physiko-chemischen Eigenschaften in der gleichen Apparatur auf das Freigabeverhalten untersucht werden können. Darüber hinaus hat der Dispersion Releaser das Potential, sich im Bereich der Freisetzungsuntersuchungen kolloidaler Arzneiträger über den Arbeitskreis von Dr. Wacker hinaus zu einem bevorzugten Testsystem zu entwickeln. In diesem speziellen Gebiet der Freisetzungsuntersuchung von kolloidalen Arzneiträgern wie Nanopartikeln oder Liposomen existiert bisher keine Apparatur, die als sogenannter Gold-Standard angesehen werden kann. Untersuchungen mittels der Durchflusszelle, dem A4D oder Sample & Separate Methoden im Labormaßstab unterliegen kaum standardisierbaren Bedingungen und diversen Limitierungen. Der Dispersion Releaser ist einfach zu handhaben und mit wenig Aufwand in die Freisetzungsapparatur 2 nach Ph. Eur. einzubauen. Zu den zahlreichen Vorteilen gehören außerdem die Kontrolle der Rührgeschwindigkeit sowie der Temperatur und der mögliche Probenzug in beiden Kompartimenten der Dialysezelle. Würden mehr Freisetzungsuntersuchungen von kolloidalen Arzneiträgern mit der gleichen, im besten Falle standardisierten, Apparatur durchgeführt, so würde dies die Vergleichbarkeit der Resultate erheblich verbessern.
Die präparierten Modellarzneiformen der beiden Arzneistoffe mTHPC und Flurbiprofen konnten die Funktionalität des Dispersion Releasers mittels der erhobenen Freisetzungsprofile belegen. Es konnten sowohl schnell als auch langsamer freisetzende kolloidale Formulierungen produziert und identifiziert werden. Als Standard-Freisetzungsmedium diente ein 10 mM Phosphatpuffer versetzt mit Natrium- und Kaliumchlorid bei pH 7,4. Dieser im Hinblick auf pH-Wert, Osmolalität und Pufferkapazität dem Blut angepasste Puffer lieferte reproduzierbare Freisetzungsprofile für alle untersuchten Partikelsysteme. Der Zusatz von Plasmaproteinen erfolge durch Zufügen von FBS zu diesem Standardpuffersystem oder durch Verwendung des im Ph. Eur. gelisteten Phosphatpuffers pH 7,2 mit Rinderalbumin. Der Effekt der im Plasma natürlicherweise enthaltenen Komponenten, insbesondere der Plasmaproteine, auf das Freisetzungsprofil zeigt in dieser Arbeit, dass -wie erwartet- die Freisetzungseigenschaften in komplexen, bzw. physiologischen Medien deutlich von denen in einfachen Puffersystemen abweichen können. Die Anwesenheit von Plasmaproteinen führte zu einer veränderten Freisetzungsrate, sowohl im Falle von Flurbiprofen als auch im Falle von mTHPC. Für mTHPC konnte außerdem der Zusatz von lösungsvermittelndem Methyl-ß-cyclodextrin zum Freisetzungsmedium etabliert werden. Gegenüber üblicherweise eingesetzten Tensiden verändert dieses cyclische Zuckermolekül die Oberflächenspannung des Mediums und damit die Benetzbarkeit der Partikel nicht.
Die mittels Dispersion Releaser und Dialysesack erhobenen Freisetzungsdaten des Wirkstoffes Flurbiprofen wurden in Zusammenarbeit mit Frau Dr. Li Kirsamer einer mathematischen Auswertung unterzogen. Auf diese Weise konnte zunächst das Freisetzungsprofil beider Kompartimente der Dialyse dargestellt werden, wodurch weitere Erkenntnisse der Qualität des kolloidalen Trägers und seiner Eignung für den jeweiligen Arzneistoff abgeleitet werden können. Die Auswertung an Hand dieses Modells berücksichtigt zwar die Fraktion des freigesetzten Wirkstoffes in beiden Kompartimenten, ermittelt jedoch keine theoretische Freisetzungsrate welche ohne Membrankinetik messbar wäre. Dies wäre in der Auswertung von Freisetzungsdaten ebenfalls von Interesse, konnte jedoch im Rahmen dieser Arbeit nicht näher untersucht werden. Berechnungen wie diese können in weiterführenden Arbeiten möglicherweise dazu dienen, in vitro Freisetzungsdaten mit Plasmaprofilen zu korrelieren. Mit dem Erwerb der Rechte an dem Dispersion Releaser durch die Firma Pharma Test Apparatebau AG im Jahr 2016 wurde der Weg für eine mögliche breite und auch kommerzielle Nutzung der neuartigen Apparatur eingeleitet. Diese Transaktion und die andauernde Kooperation zwischen Pharmatest und dem Arbeitskreis von Herrn Prof. Dr. Wacker soll die erfolgreiche Beantwortung der Fragestellungen innerhalb der vorliegenden Arbeit mit dem Titel „Entwicklung einer Apparatur zur in vitro Testung der Wirkstofffreisetzung aus kolloidalen Arzneistoffträgern“ hervorheben.
The members of the multidrug/oligosaccharidyl-lipid/polysaccharide (MOP) transporter superfamily mediate export of a wealth of molecules of physiological and pharmacological importance. According to the Transporter Classification Database (TCDB), the MOP superfamily is mainly categorized into six distantly related families functionally characterized families: the multidrug and toxic compound extrusion (MATE), the polysaccharide transporter (PST), the oligosaccharidyl-lipid flippase (OLF), the mouse virulence factor (MVF) the agrocin 84 antibiotic exporter (AgnG), and the progressive ankylosis (Ank) family. Among these, the multidrug resistance MATE family transporters are most ubiquitous, being present in all domains of life: Archaea, Bacteria and Eukarya. As secondary active transporters, they utilize transmembrane electrochemical ion gradients of Na+ and/or H+ in order to drive the efflux of xenobiotics or cytotoxic metabolic waste products with specificity mainly for polyaromatic and cationic substrates. Active efflux of drugs and toxic compounds carried out by multidrug transporters is one of the strategies developed by bacterial pathogens to confer multidrug resistance. MATE proteins provide resistance to, e.g., fluoroquinolone, aminoglycoside antibiotics, and anticancer chemotherapeutical agents, thus serving as promising pharmacological targets for tackling a severe global health issue. Based on their amino acid sequence similarity, the MATE family members are classified into the NorM, the DNA-damage-inducible protein F (DinF), and the eukaryotic subfamilies. Structural information on the alternate conformational states and knowledge of the detailed mechanism of the MATE transport are of great importance for the structure-aided drug design. Over the past decade, the crystal structures of representative members of the NorM, DinF and eukaryotic subfamilies have been presented. They all share similar overall architecture comprising 12 transmembrane helices (TMs) divided into two domains, the N-terminal domain (TMs 1-6) and the C-terminal domain (TMs 7-12), connected by a cytoplasmic loop between TM6 and TM7 (Fig. II.1). Since all available MATE family structures are known only in V-shaped outward-facing states with the central binding cavity open towards the extracellular side, a detailed understanding of the complete transport cycle has remained elusive. In order to elucidate the underlying steps of the MATE transport mechanism, structures of distinct intermediates, particularly inward-facing conformation, are required.In my PhD project, structural and functional studies have been performed on a MATE family (DinF subfamily) transporter, PfMATE, from the hyperthermophilic and anaerobic archaeon Pyrococcus furiosus. This protein was produced homologously in Pyrococcus furiosus as well as heterologously in Escherichia coli, and used for the subsequent purification and crystallization trials by the vapor diffusion (VD) and lipidic cubic phase (LCP) method. To the best of my knowledge, PfMATE is the first example of a successful homologous production of a membrane protein in P. furiosus. Due to the very low final amount of the purified protein from the native source, the heterologously produced PfMATE samples were typically used for the extensive structural studies. Crystal structures of PfMATE have been previously determined in an outward-facing conformation in two distinct states (bent and straight) defined on the arrangement of TM1. A pH dependent conformational transition of this helix regulated by the protonation state of the conserved aspartate residue Asp41 was proposed. However, it has been discussed controversially, leading to the hypothesis about TM1 bending to be rather affected by interactions with exogenous lipids (monoolein) present under the crystallization conditions. Based on these open questions, an experimental approach to investigate the role of lipids as structural and functional modulators of PfMATE has been taken in the course of my PhD project. The interplay between membrane proteins and lipids can affect membrane protein topology, structure and function. Considering differences between archaeal and bacterial lipid composition, cultivation of P. furiosus cells and extraction of its lipids was followed by the mass spectrometry (MS) based lipidomics for identification of individual lipid species in the archaeal extract. In order to assess the effects of lipids on PfMATE, different lipid molecules were used for co-purification and co-crystallization trials. This dissertation presents a workflow leading to the structure determination of a MATE transporter in the long sought-after inward-facing state, which has been achieved upon purification and crystallization of the heterologously produced PfMATE in the presence of lipids from its native source P. furiosus. Also, the PfMATE outward-facing state obtained from the crystals grown at the acidic pH conditions sheds light on the previously proposed pH-dependent structural alterations within TM1. It is interesting to note that the inward and outward-facing states of PfMATE were obtained from the crystals grown under similar conditions, but in the presence and absence of native lipids, respectively. This observation supports the hypothesis about physiologically relevant lipids to act as conformational modulators or/and a new class of substrates, expanding the substrate spectrum of the MATE family transporters. Comparative analysis of two PfMATE states reveals that transition from the outward to the inward-facing state involves rigid body movements of TMs 2-6 and 8-12 to form an inverted V, facilitated by a loose binding of TMs 1 and 7 to their respective bundles and their conformational flexibility. Local fluctuations within TM1 in the inward-facing structure, including bending and unwinding in the intracellular half of the helix, invoke its highly flexible nature, which is suitable for ion and substrate gating.
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Food allergies are defined as an adverse health effect arising from a specific immune response that occurs reproducibly on exposure to a given food. The prevalence of food allergies has increased in the past decade. Epidemiologic studies involving controlled food challenges for the diagnosis of food allergies indicated that between 1 % to 10.8 % of the population have immunemediated non-toxic food hypersensitivity.
Despite the increasing prevalence, no curative treatment has been established for food allergies so far except the complete avoidance of the elicited food. To establish safe and effective immunotherapy for food allergies, it is of crucially importance to elucidate pathological mechanism of such diseases.
Food allergies are classified into IgE-mediated and non-IgE mediated (T-cell mediated) allergies, depending on the immunologic pathways and the role of the IgE on the pathogenesis of the disease. Allergic enteritis (AE) is a gastrointestinal form of food allergy. It is classified as non-IgE-mediated food allergy. However, patients with AE often develop IgE and high levels of IgE have been associated with development of persistent AE. The gastrointestinal symptoms of AE are nonspecific, resulting in the fact that a broad differential diagnoses including diagnostic approaches for allergic diseases are necessary to rule out other gastrointestinal pathologies. Biopsies of patients with allergic enteritis have shown infiltration of inflammatory cells (e.g. mast cells, eosinophils, neutrophils, and T cells) in the lamina propria, disruption of intestinal villi, edema, and presence of goblet cells in the intestine...
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.
Eukaryotische Zellen sind durch, aus Lipiddoppelschichten bestehenden, Membranen in Kompartimente mit unterschiedlichen Funktionen eingeteilt. Um einen Transport von Molekülen über die Membranen hinweg zu gewährleisten, werden Kanälen und Transporter benötigt. Eine Familie von Transportern sind die ATP-binding cassette (ABC) Transporter, die in allen Lebewesen, von Bakterien bis zum Menschen, vorkommen. Ein Mitglied dieser Familie ist der transporter associated with antigen processing-like (TAPL oder ABCB9). TAPL ist ein lysosomaler Polypeptidtransporter der per ATP-Hydrolyse Peptide von 6 – 59 Aminosäuren Länge vom Zytosol in das Lumen der Lysosomen transportiert. Hierbei kann TAPL, das ein Homodimer ist, in zwei funktionale Domänen geteilt werden. Der Teil des Komplexes, der für den Transport zuständig ist, wird als coreTAPL bezeichnet. Dieser beinhaltet die zytosolischen nucleotide binding domains (NBDs), die ATP binden und hydrolysieren können, und die Transmembrandomänen (TMDs), die Peptide binden und sie durch konformationelle Änderungen auf der anderen Membranseite freilassen. Die zweite Domäne ist eine N-terminale TMD, die als TMD0 bezeichnet wird. Dieser, aus vier Transmembranhelices (TMHs) bestehende Teil des Proteins, ist für die Lokalisation von TAPL in der lysosomalen Membran verantwortlich, sowie für die Interaktion mit den dort lokalisierten Membranproteinen LAMP-1 und LAMP-2. CoreTAPL ohne die TMD0s erreicht nicht die Lysosomen, sondern liegt in der Plasmamembran (PM) der Zelle vor. Die TMD0 hingegen benötigt coreTAPL nicht um korrekt in der lysosomalen Membran lokalisiert zu sein.
Die korrekte Lokalisation in der Zelle ist ein kritischer Punkt für ein Protein, um seine Funktion ausüben zu können. Die Transportprozesse vom Ort der Synthese des Proteins, dem Endoplasmatischem Reticulum (ER), zum Organell wo es seine Funktion ausüben soll, umfassen dutzende Proteine und Proteinkomplexe und ein komplexes Zusammenspiel zwischen Proteinen und den einzigartigen Lipidzusammensetzungen der Membranen verschiedener Organellen. Auf das Einfachste heruntergebrochen benötigt ein Transmembranprotein eine kurze Aminosäuresequenz auf der zytosolischen Seite, die Signalsequenz. Diese Sequenz wird von sogenannten Adapterproteinen erkannt, die wiederum andere Bestandteile der zellulären Maschinerie rekrutieren, die letztlich Vesikelbildung, Transport und Fusion mit der Zielorganelle vermitteln. Allerdings weisen nicht alle lysosomalen Transmembranproteine eine solche Signalsequenz auf, sondern besitzen unkonventionelle Zieldeterminanten, wie posttranslationale Modifikationen, oder sie interagieren mit anderen Proteinen, die wiederum die Interaktion mit den Adapterproteinen vermitteln.
Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt in der erfolgreichen Entwicklung von vier neuen Methoden zur Darstellung von Sulfonen und von einer neuen Methode zur Synthese von N-Aminosulfonamiden. Dabei sollen die Strukturmotive von Sulfonen und Sulfonamiden aus stabilen Startmaterialien in einer einfachen Durchführung, vorzugsweise in einer Eintopf-Synthese oder Multikomponenten-Reaktion, aufgebaut und der Reaktionsmechanismus weitestgehend experimentell aufgeklärt werden. In diesem Rahmen konnte die Lücke einer Nickel-katalysierten Darstellung von Diarylsulfonen sowohl unter thermischen als auch unter photochemischen Bedingungen gefüllt werden. Zusätzlich konnten im Bereich der SO2-Fixierung Sulfonylradikale mittels Diaryliodoniumsalzen und sichtbaren Licht erzeugt werden, die mit dem entsprechenden Quencher zum Sulfonamid oder Sulfon weiter reagieren konnten.
Aim: Long noncoding RNAs (lncRNAs) belong to the interface of epigenetics and exhibit diverse functions. Their features depend on their sequence, genomic location and tertiary structure. The aim was to identify novel lncRNAs and characterise their physiological functions and mechanisms in endothelial cells. Three different approaches were performed:
The hypothesis that pseudogene-annotated lncRNA NONHSAT073641 regulates the expression of their parental gene platelet activating factor acetylhydrolase 1b regulatory subunit 1 (PAFAH1B1) was examined.
The physiological functions and in vivo relevance of most lncRNAs are still unknown, therefore a part of this work aimed to identify lncRNAs in response to a pathophysiological stimulus (high amplitude stretch) in endothelial cells.
The long intergenic noncoding RNA antisense to S1PR1 (LISPR1) gene, is located within the promotor of sphingosine-1-phosphate receptor 1 (S1PR1) and shares a part of the promotor region. This study examined additionally the hypothesis that LISPR1 controls the S1PR1 expression in endothelial cells.
Methods: The angiogenic functions of NONHSAT073641 and LISPR1 were examined with spheroid-outgrowth and scratch wound assays. Furthermore, stretch experiments were performed in order to identify differently expressed lncRNAs in human umbilical vein endothelial cells (HUVECs). In addition, the in vivo relevance of both lncRNAs was examined in samples from pulmonary arterial hypertension patients. Knockdown (e.g. LNA GapmeRs), knockout (CRISPR/ Cas9) and overexpression experiments (e.g. CRISPR activation) were performed to analyse target genes. The molecular mechanism of LISPR1 was investigated with RNA and Chromatin immunoprecipitation.
Results: NONHSAT073641 and PAFAH1B1 exhibited angiogenic function in endothelial cells. It could be observed that NONHSAT073641 is not regulating the expression of PAFAH1B1. The pro-angiogenic feature of PAFAH1B1 might be attributed to the target gene matrix Gla protein (MGP). NONHSAT073641 and PAFAH1B1 were significantly induced in CTEPH samples and might be important in the development of this disease. It could be speculated that NONHSAT073641 is regulating the expression of the cell-cycle regulator BCL2L11 as has been investigated in mice.
LISPR1 is a cis-acting lncRNA which maintains S1PR1 gene transcription by intercepting the transcriptional repressor ZNF354C and enabling Polymerase II (PolII) to bind. ZNF354C regulates S1PR1 expression in HUVECs. However, the role of ZNF354C in pulmonary arterial hypertension (PAH) is unknown. LISPR1 and S1P1 receptor were both significantly depleted in COPD samples. It can be assumed that due to higher S1P production, the signalling is attenuated through reduction of the lncRNA LIPSR1 and thus the receptor S1P1.
The stretch experiments present a possible in vitro model in order to mimic the condition of endothelial cells during high blood pressure, such as in PAH. Referring to published data, it could be confirmed that stretching of endothelial cells alters the gene expression, which is on the other hand linked to cardiovascular disease. In cardiovascular disease mechanical stretch altered genes, which are participating in the vascular remodelling process. The role of differently expressed lncRNAs (TGFβ2-AS1, CTD-2033D15.2, INHBA-AS1, RP11-393I2.4, TAPT1-AS1, TPM1-AS1, CFLAR-AS1 and HIF1α-AS2) upon mechanical stretch is yet not clarified.
Conclusion: NONHSAT073641 and LISPR1 are important for the endothelial angiogenic function. Both lncRNAs were deregulated in PAH samples. The pathophysiological stimulus had an impact on the expression of different lncRNAs (e.g. TGFβ2-AS1) and pathways (e.g. TGF-β) in endothelial cells.
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.
Protein quality control (PQC) machinery is in charge of ensuring protein homeostasis in the cell, i.e. proteostasis. Chaperones assist polypeptides throughout their maturation until functionality is achieved. This process might be disrupted in the presence of mutations or external damaging agents that affect the folding and stability of proteins. In this case, proteins can be efficiently recognized and targeted for degradation in a controlled manner. Ubiquitylation refers to the covalent attachment of one or more ubiquitin moieties to faulty proteins, thus triggering their degradation by the 26S proteasome.
More than 30% of proteins need cofactor molecules. Lack of cofactors renders proteins non-functional. We wanted to understand how the PQC deals with wild-type proteins in the absence of their cofactors. Several studies have indicated the importance of the riboflavin-derived cofactor FAD in the stability of individual flavoproteins, and hence we assumed that loss of flavin should mediate a targeted degradation of this group of proteins. Indeed, our mass spectrometry experiments showed that flavoproteome levels decreased under riboflavin starvation. The oxidoreductase NQO1 was used as a model enzyme to further investigate the mechanism of flavoproteome targeting by the PQC. We showed that cofactor loading determines ubiquitylation of NQO1 by the co-chaperone CHIP, both in vivo and in vitro. Furthermore, subtle changes in the C-terminus of NQO1 in the absence of FAD seemed to be crucial for this recognition event. ApoNQO1 interactome differed from holoNQO1. Chaperones and degradation factors were enriched on NQO1 upon cofactor withdrawal, probably to support maturation and prevent aggregation of the enzyme.
Loss of protein folding and stability, even to a small extent, can enhance the aggregating behavior of proteins. Proper loading with FAD reduced the co-aggregation of NQO1 with Aβ1-42 peptide. We assumed that the flavoproteome might represent aggregating-prone species under riboflavin deprivation. Supportingly, reversible apoNQO1 aggregates were observed in vivo in the absence of cofactor. General amyloidogenesis in vivo also increased under these conditions, apparently as a result of flavoproteome destabilization. In this context, we think that our data might have important implications considering the onset and development of conformational diseases.
This work has shed some light on the therapeutic implications of riboflavin deficiency as well. The sensitivity of melanoma cells towards the alkylating agent methyl methanesulfonate (MMS) increased under riboflavin starvation. Subsequent analyses indicated that a complex metabolic reorganization, mostly affecting proliferation and energy metabolism, occurs in response to starvation. What we suggest to call “flavoaddiction” can be understood as the dependence of melanoma cells on the flavoproteome structural and functional intactness to survive chemotherapy. Understanding this cellular reprogramming in detail might reveal new possibilities for future therapies.
Epigenetic mechanisms largely influence how genetic information on DNA level is translated into different phenotypes. DNA methylations and histone post-translational modifications make up what is referred to as "epigenetic landscape", an interconnected pattern that regulates access to genes and serves as platform for specific binding partners. The epigenetic landscape is maintained by "writers", which add the modifications, "erasers", which delete the modifications and "readers" which specifically bind modifications and mediate their location to other proteins connected to transcription. In the context of acetylations, which are the focus of this thesis, the writers are called histone acetyl transferases (HATs), the erasers are called histone deacetylases (HDACs) and the readers comprise Bromodomains (BRDs) as well as Yaf9, ENL, AF9, Taf14, Sas5 (YEATS) domains. An aberrant epigenetic landscape and mutated forms of epigenetic readers can lead to diseases including cancer and inflammatory diseases, making epigenetic reader domains attractive drug targets.
The focus of this thesis were YEATS domains and the development of inhibitors for this new class of epigenetic readers. Eleven-nineteen-leukemia protein (ENL) and ALL1-fused gene from chromosome 9 protein (AF9) are also part of the super elongation complex and are common fusion partners of mixed lineage leukemia protein (MLL) in acute myeloid leukemia (AML) (Wan et al., 2017, Erb et al., 2017). In this thesis, the first ligand-free crystal structure of ENL YEATS revealed an inherent flexibility of the Y78 side chain in the aromatic triad and two conserved water molecules. Soaking experiments led to the first co-crystal structures between a YEATS domain and small molecule inhibitors and defined prerequisites for ENL YEATS inhibitor scaffolds. The discovered inhibitory fragments had a central amide bond in common, which replaced one of the two conserved water molecules to form beta-sheet-like hydrogen bonds between the loop 6 backbone and the S58 side chain. The amide bond was flanked by two aromatic moieties, of which one stacks with H56 in the front pocket and the other interacts with the aromatic triad in the rear pocket. The development of the first chemical probe for ENL/AF9, SGC-iMLLT, show that the affinity is increased to low nanomolar levels if the rear flanking aromatic moiety forms additional hydrogen bonds with loop 6 and the side chain of E75 (Moustakim et al., 2018). In case of the probe, this is achieved with a 2-methyl-pyrrolidine-benzimidazole moiety. The probe binds with high affinity to ENL (129 nM) and AF9 (77 nM) and shows no significant affinity towards other human YEATS domains or BRDs. Target engagement was shown by fluorescence recovery after photobleaching (FRAP), cellular thermal shift assay (CETSA) and in case of AF9 also with NanoBRET. The probe changed the expression of three AML-related genes (MYC, dendrin and CD86) in MV4;11 cells, encouraging application of this probe in more AML cell lines.
This doctoral thesis deals with the structural and dynamical NMR characterization of biomolecules, covering a broad range of proteins, from small peptides to large GPCRs proteins. This work consists of two projects, which are presented in chapter II and III. Chapter II is focused on the structural screening of peptides and small proteins ranging from 14 to 71 amino acids, while chapter III describes the structure and light dynamics of the disease relevant rhodopsin G90D mutant. The main method used to investigate both types of proteins is NMR spectroscopy. Both chapters comprise individual general introduction, materials and methods, results and discussion sections, and a final conclusion paragraph.
‘Chapter I: Methodological aspects of protein NMR spectroscopy’ presents an overview of different NMR methods developed for the rapid characterization of protein structure and dynamics. Multidimensional NMR, which is routinely used in structural biology, is indispensable for protein structure determination in solution. However, detailed information with resolution at the atomic level is time consuming and requires weeks of expensive measurement time, followed by the manual data analysis. Therefore, the development of time-saving NMR techniques is highly required for screening studies of a large amount of proteins, and can be also helpful for studying unstable biomolecules, as their short lifetime often restricts the experimental procedure.
This chapter covers the two main approaches to accelerate a multidimensional NMR experiment: fast-pulsing techniques that aim to reduce the duration of an individual measurement, and non-uniform sampling technique (NUS), which was developed to reduce the overall number of increments in virtual time domains. A combination of both approaches, fast-pulsing and non-uniform sampling, allows speeding up the measurement time by 2-3 orders of magnitude. Furthermore, recently developed software called TA (targeted acquisition) combines various time-saving approaches, including fast-pulsing, non-uniform sampling and targeted acquisition. Targeted acquisition algorithm records a set of multidimensional NMR spectra in semi-interleaved incremental mode. This provides the ability to monitor the quality of the recorded spectra in real-time and therefore enables the completion of the experiments after the desired quality is achieved. Using this approach will greatly reduce the measurement time without losing important structural information. The implemented automated FLYA assignment further contributes to the rapid and simplified readout of the chemical shift assignment progress of the TA program. During this doctoral dissertation, the scientific collaboration with the TA software developer Prof. Vladislav Orekhov (Sweden) took place, and resulted in the successful establishing of this new NMR technology in the Schwalbe laboratory. TA is now routinely applied in Prof. Schwalbe group for the structure elucidation of small proteins.
‘Chapter II: Rapid NMR and biophysical characterization of small proteins’ describes the structural analysis of peptides and small proteins, which were recently identified within the framework of the Priority Program (SPP 2002). Due to technical limitations in detections of small systems and strict assumptions concerning the smallest size of the gene that can be translated, small open reading frames (sORFs) were excluded from the automated gene annotation for a very long time. Thanks to the newly developed computational and experimental approaches, the ability to identify and detect the small proteins consisting of less than approximately 70 amino acids sparked a growing scientific interest by microbiologist. In the past years, hundreds of new short protein sequences were discovered. Although some peptides were found to be involved in diverse essential biological processes, the functional elucidation of a large number of recently discovered peptides and small proteins remains a challenging task. It is well established that the structure of proteins is often linked to their function. However, the size of small constructs often restricts the possible diversity of secondary structure elements that might be adopted by a protein. Furthermore, as was shown for intrinsic discorded proteins (IDPs), the absence of a well-defined three-dimensional structure does not necessarily mean lack of function. Moreover, peptides, which are initially unstructured in the isolated form can fold in a stable structured conformation upon interaction with their biological partners. Solution state NMR spectroscopy is perfectly amenable for the structural characterization of systems of this size. It provides a rapid readout about the conformational state of small peptides unambiguously, distinguishing between folded, molten globule and unstructured conformations.
During this doctoral thesis the workflow protocol for fast screening of peptides and small proteins was established and applied to 20 candidates ranging from 14 to 71 amino acids, which were identified and selected by six microbiological groups, all members of the Priority Program on small proteins (SPP2002) funded by the German research foundation (DFG). The screening protocol includes sample preparation and biochemical characterization. Peptides containing less than 30 amino acids were synthesized by solid phase synthesis (SPPS), while small proteins containing more than 30 amino acids were heterologously expressed in E. coli.
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Die Kenntnis der Struktur von Biomolekülen und der biologischen Abläufe, in welche diese involviert sind, ist grundlegend für die Entwicklung von medizinischen Behandlungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Systeme zur Untersuchung von Biomolekülen, insbesondere Proteinen, hergestellt. Im Mittelpunkt stand die Entwicklung von Materialien, welche neue Möglichkeiten zur Präparation von Proteinen zur Untersuchung derer Struktur mittels Kryo-Transmissionselektronenmikroskopie (Kryo-TEM) eröffnen. In zwei weiteren Projekten wurden biomimetische Systeme aufgebaut, welche die Oberfläche eines Biomoleküls oder biologischen Ensembles nachahmen und hierdurch deren Untersuchung ermöglichen. Hier wurden Systeme zur einfachen Nachbildung biologischer Membranen oder Proteinoberflächen betrachtet.
Eine wichtige Methode zur Untersuchung der dreidimensionalen Struktur von Biomolekülen ist die Kryo-TEM. Zur Mikroskopie werden die Biomoleküle in wenige Mikrometer großen Löchern eines amorphen Kohlenstofflochfilms mittels einer wenige Nanometer dicken Schicht aus amorphem Eis fixiert. Hierfür wird ein dünner Film einer wässrigen Probe auf den Kohlenstofflochfilm aufgebracht und gefroren. Insbesondere für Membranproteine ist die Herstellung derartiger Proben schwierig, da die Proteinpartikel zur Aggregation und Adsorption an dem Kohlenstofflochfilm neigen, wodurch keine Partikel in den Löchern des Kohlenstofffilmes auftreten, welche mikroskopiert werden können.
In dieser Arbeit wurden Materialien zur Verbesserung der Präparation von Proteinen für die Kryo-TEM entwickelt. Es wurden hierfür verschiedene biorepulsive Materialien, auch solche, welche eine spezifische Anbindung der Biomoleküle erlauben, untersucht. Da in der TEM die Probe durchstrahlt wird, eignen sich Nanometer dünne Membranen dieser Materialien als Trägermaterial für die Biomoleküle, da sie nur zu einem geringen Hintergrund führen. Zum einen wurden Nanomembranen durch die chemische Quervernetzung von Nanometer dicken Hydrogelfilmen mit verschiedenen quervernetzenden Molekülen hergestellt. Zum anderen wurden Trägerfilme, wie amorphe Kohlenstofffilme oder Kohlenstoffnanomembranen (engl. carbon nanomembranes, CNM) biorepulsiv funktionalisiert. Darüber hinaus wurde eine Nitrilotriessigsäure(NTA)-funktionalisierte Hydrogel-beschichtete Nanomembran entwickelt, welche markierte Proteine selektiv über einen His-Tag bindet.
Neben der Entwicklung von Materialien zur Untersuchung von Proteinen mittels Kryo-TEM wurden Beschichtungen hergestellt, welche die Oberfläche eines Biomoleküls oder eines Ensembles von Biomolekülen nachahmen. Diese Modelloberflächen sollten ebenfalls die Untersuchung von Eigenschaften der biologischen Systeme ermöglichen. Biologische Membranen bestehen aus einem Ensemble von Biomolekülen. Eine Vielzahl verschiedener Biomolekülen tritt in einer komplexen Anordnung in diesen dünnen Membranen auf. Es wurde versucht, strukturierte Membranen mit lokalen Variationen der physikalischen und chemischen Eigenschaften, jedoch weitaus weniger komplexen Aufbau, herzustellen. Die hergestellten Membranen mit biologisch relevanten Strukturen im Mikrometer- bis Zentimeterbereich, können nach weiterer Forschung als einfache Modellsysteme zur Nachahmung ihrer komplexen biologischen Vorbilder dienen.
In einem weiteren Projekt wurde eine Modelloberfläche für die Bindungstasche des Proteins FimH, welches eine wichtige Rolle in der bakteriellen Adhäsion spielt, entwickelt. In dem Kooperationsprojekt mit der Arbeitsgruppe Lindhorst wurde ein Modellsystem entwickelt, welches dazu dient, herauszufinden, inwiefern eine Funktionalisierung einer Aminosäurevon FimH über eine vorgeschlagenen Ligationsstrategie möglich ist. Das Modellsystem besteht aus einer biorepulsiven Hydrogel-Matrix, aus welcher die Seitenkette der Aminosäure Tyrosin in die Lösung exponiert ist. Die Substrat-katalysierte Reaktion der Aminosäuren-Seitenkette mit dem Photoschalter wurde mithilfe eines Bakterienadhäsionstests untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich die vorgeschlagene Ligationsstrategie unter Berücksichtigung von Nebenreaktionen zur Modifizierung des Proteins eignet.
Es konnten vier neuartige Systeme, welche die Probenpräparation zur Untersuchung von Proteinen mittels Kryo-TEM vereinfachen, entwickelt werden. Die Ergebnisse sind von wissenschaftlicher Relevanz, da sie die Strukturbestimmung vieler Proteine deutlich vereinfachen und hierdurch beschleunigen können. Außerdem wurden biomimetische Beschichtungen entwickelt, welche entweder Proteinoberflächen oder Biomembranen nachahmen. Die entwickelten Modellsysteme erweitern das Spektrum an Möglichkeiten, Biomoleküle oder biologische Ensembles zu untersuchen.
Protein biosynthesis is a conserved process, essential for life. Proteins are assembled from single amino acids according to their genetic blueprint in the form of a messenger ribonucleic acid (mRNA). Peptide bond formation is catalyzed by ancient ribonucleic acid (RNA) residues within the supramolecular ribosomal complex, which is organized in two dynamic subunits (Ramakrishnan, 2014). Each subunit comprises large ribosomal RNA (rRNA) molecules and several dozens of peripheral proteins. mRNA translation has been divided into three phases, namely translation initiation, elongation and termination in biochemistry textbooks. During initiation, the ribosomal subunits assemble into a functional ribosome on an activated mRNA and acquire the first transfer RNA (tRNA), an adapter between the start codon on the mRNA and the N-terminal methionine of the protein (Hinnebusch and Lorsch, 2012). During elongation, the ribosome translocates along the mRNA exposing one codon after the other, and amino acids are delivered to the ribosome by the respective tRNAs, and attached to the nascent polypeptide chain. During termination, the polypeptide is released and the ribosome remains loaded with mRNA and tRNA at the end of the open reading frame for the translated gene (Hellen, 2018). Bacterial ribosomes are subsequently recycled by a specific ribosome recycling factor and the small ribosomal subunit is simultaneously consigned to initiation factors for a next round of translation – rendering bacterial translation as a cyclic process with an additional ribosome recycling phase. However, the process of ribosome recycling remained enigmatic in Eukarya and Archaea until the simultaneous discovery of the twin-ATPase ABCE1 as the major ribosome recycling factor. Strikingly, ABCE1 has initially been shown to participate in translation initiation (Nürenberg and Tampé, 2013). Thus, closing the translation cycle by revealing the detailed molecular mechanism of ABCE1 and its role for translation initiation are the two goals of this research.
Beyond the plenitude of well-studied translational GTPases, ABCE1 is the only essential factor energized by ATP, delivering the energy for ribosome splitting via two nucleotide-binding sites. Here, I define how allosterically coupled ATP binding and hydrolysis events in ABCE1 empower ribosome recycling. ATP occlusion in the low-turnover control site II promotes formation of the pre-splitting complex and facilitates ATP engagement in the high-turnover site I, which in turn drives the structural re- organization required for ribosome splitting. ATP hydrolysis and ensuing release of ABCE1 from the small subunit terminate the post-splitting complex. Thus, ABCE1 runs through an allosterically coupled cycle of closure and opening at both sites consistent with a processive clamp model. This study delineates the inner mechanics of ABCE1 and reveals why various ABCE1 mutants lead to defects in cell homeostasis, growth, and differentiation (Nürenberg-Goloub et al., 2018).
Additionally, a high-resolution cryo-electron microscopy (EM) structure of the archaeal post-splitting complex was obtained, revealing a central macromolecular assembly at the crossover of ribosome recycling and translation initiation. Conserved interactions between ABCE1 and the small ribosomal subunit resemble the eukaryotic complex (Heuer et al., 2017). The conformational state of ABCE1 at the post-splitting complex confirms the molecular mechanism of ribosome recycling uncovered in this study. Moving further along the reaction coordinate of cellular translation, I reconstitute the complete archaeal translation initiation pathway and show that essential archaeal initiation factors are recruited to the post-splitting complex by biochemical methods and cryo-EM structures at intermediate resolution. Thus, the archaeal translation cycle is closed, following its bacterial model and paving the way for a deeper understanding of protein biosynthesis.
An essential part of the animal survival strategy comprises the ability to control body movement and coordinate long-term navigational strategies, in order to maintain locomotion towards a nutrition source and stay in its vicinity. In the nematode Caenorhabditis elegans (C. elegans) this function is carried out by neuronal circuits, that vary their activity in response to diverse environmental condition.
This comprises different classes of neurons, acting together in a sensory, signaling and modulatory system to control body posture and induce behavioral responses. For this reason, one particular goal in the field of neuroscience research is to elucidate the mechanisms of how neuronal circuits integrate multiple sensory cues to navigate the environment. Aim of this study was to analyze the function of a neuronal network comprising the interneurons AVK, as well as the identification of signaling molecules, controlling body posture during food related locomotory behavior. This should be achieved by establishing optogenetic approaches, which provide a non inversive and temporally precise control of neuronal activity and drives the activation or silencing of individual neurons, to alter the neuronal basis of behavior. Animals exposed to food perform a dwelling-like behavior, characterized by a slowing of locomotion with a reduced crawling distance and an irregular movement, accompanied by a high frequency of pauses, reversals and directional changes. Upon food-removal, they initiate a local-search behavior with the same behavioral characteristics, but with a more pronounced sinusoidal movement. After a prolonged period of unsuccessful food finding, animals exhibited long runs with reduced pauses, reversals and turnings, increasing their maximal covered distance, indicated as dispersal behavior. Acute photoinhibition of AVK neurons, mediated by cell-specific expression of halorhodopsin (NpHR) caused the animals to perform a dwelling-like locomotory state with increased bending angles, as seen during local-search behavior. Thus, food-induced behavioral effects are mimicked by the optogenetic manipulation of AVK interneurons.
In this study, signaling molecules were ascertained by cell specific mRNA profiling of AVK neurons, mediating these behavioral responses. It was able to demonstrate, that flp-1, coding for a FMRFamidelike neuropeptide, is one of the genes with the highest distribution in AVK. In the absence of food, AVK neurons continuously release the FMRFamide-like neuropeptide FLP-1 to inhibit a subset of target motoneurons, leading the animals to maintain a low body curvature to promote dispersing behavior.
Conversely, if AVK was inhibited by NpHR or the presence of food, less FLP-1 was secreted to the body fluid, indicated by reduced intracellular fluorescence levels of mCherry-tagged FLP-1 proteins in the scavenger cells. The search of a FLP-1 receptor was successful by in vitro investigation on G protein-coupled receptors (GPCRs) and neuropeptide ligands, revealing NPR-6 to be activated by FLP-1 neuropeptides, but with a low potency. Expression pattern of the NPR-6 receptor indicated receptor localization in in the VC ventral cord and SMB head motoneurons, as well as in a subset of other neurons required for chemosensation and feeding. AVK interneurons are highly coupled to SMB head motoneurons, forming electrical synapses composed of the gap junction protein subunits UNC-7 and UNC-9. Elimination of SMB or gap junction genes using cell ablation and RNA interference, respectively, phenocopied effects of AVK inhibition on bending angles. Furthermore, this study was able to demonstrate that these neurons get inhibited during FLP-1 transmission to the NPR-6 receptor, which was required to mediate AVK effects on crawling behavior. Consequently, photoinhibition of AVK caused disinhibition of VC and SMB neurons, in order to enhance sinusoidal movement and to induce a local-search related locomotory behavior.
Thereby, FLP-1 neuropeptide transmission is the preferred used signaling pathway over direct gap junction coupling. Additional neuropeptides and receptors were identified to be essential downstream to AVK neurons to mediate effects on body curvature and locomotory behavior as well. The high-potency FRPR-7 receptor was shown to mediate FLP-1 peptide effects on undulatory motion during swimming in a liquid environment, rather than crawling locomotion on a solid surface. This result suggests that the receptor NPR-6 is required for FLP-1 peptide effects on bending and crawling locomotion, whereas conversely the receptor FRPR-7 is addressed by FLP-1 peptides to exclusively regulate swimming behavior. The FRPR-7 receptor is expressed in the AIM and NSM motoneurons, which are suggested to be the primary neuronal candidates mediating swimming behavior. Furthermore, this study provides evidence, that FRPR-7 acts in the DVC interneuron to control spontaneous reversal behavior, most probably by inhibitory FLP-1 signaling from the AVK neurons. Among other neuropeptides, the FMRFamide-like peptide FLP-26 binds with higher affinity to NPR-6 receptors than FLP-1 peptides. FLP-26 peptides are expressed in the SMB motoneurons, where they are able to further potentiate FLP-1 inhibitory effects by simultaneous binding to NPR-6.
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Rhabdomyosarcoma (RMS) is the most frequent pediatric soft-tissue sarcoma comprising two major subtypes – the alveolar and the embryonal rhabdomyosarcoma. The current therapeutic regime is multimodal including surgery, radiation and chemotherapy with cytostatic drugs. Although the prognosis for RMS patients has steadily improved to a 5-year overall survival rate of 70% for ERMS and 50% for ARMS, prognosis for subgroups with primary metastases or relapsed patients is still less than 25%, highlighting the need for development of new therapies for these subgroups. Since cancer cells are addicted to their cancer promoting transcriptional program, remodeling transcription by targeting bromodomain and extraterminal (BET) proteins has emerged as compelling anticancer strategy. However, in many cancer types BET inhibition was proved cytostatic but not cytotoxic emphasizing the need for combination protocols.
In this study we identify a novel synergistic interaction of the BET inhibitor JQ1 with p110α-isoform-specific Phosphoinositid-3-Kinase (PI3K) inhibitor BYL719 (Alpelisib) to induce mitochondrial apoptosis and global reallocation of BRD4 to chromatin. At first, we showed that JQ1 single treatment had cytostatic effects at nanomolar concentrations and inhibited MYC and Hedgehog (Hh) signaling in RMS known to promote proliferation of RMS. However, JQ1 single treatment barely induced cell death in RMS cells even at concentrations of up to 20 µM (< 20% cell death). Thus, we next tested combination approaches to elicit cell death. Since we previously identified synergistic cell death induction of Hh inhibition and PI3K inhibition in RMS cells we tested JQ1 in combination with the pan-PI3K/mTOR inhibitor PI-103 and the p110α-isoform-specific PI3K inhibitor BYL719. In addition, we tested JQ1 in combination with distinct HDAC inhibitors namely JNJ-26481585, SAHA (Vorinostat), MS-275 (Entinostat) and LBH-589 (Panobinostat) since the synergistic interaction of BET and HDAC inhibition has previously been described for other tumor entities.
Interestingly the synergism of cell death induction of JQ1/BYL719 co-treatment is superior to the synergism of JQ1 with pan-PI3K/mTOR inhibitor PI-103 or the tested HDAC inhibitors as confirmed by calculation of combination index. To investigate the molecular mechanisms underlying the synergy of JQ1/BYL719 co-treatment, we performed RNA-Seq and BRD4 ChIP-Seq experiments. RNA-Seq exhibited, that JQ1/BYL719 co-treatment shifted the overall balance of BCL-2 family gene expression towards apoptosis and increased gene expression of proapoptotic BMF, BCL2L11 (BIM) and PMAIP1 (NOXA) while decreasing gene expression of antiapoptotic BCL2L1 (BCL xL). These changes were verified by qRT-PCR and Western blot. Notably, BRD4 is phosphorylated upon JQ1/BYL719 co-treatment and globally reallocates BRD4 to chromatin. This BRD4 reallocation includes enrichment of BRD4 at the super-enhancer site of BMF, at the super-enhancer, typical enhancer and promoter regions of BCL2L11 (BIM) and at the PMAIP1 (NOXA) promoter, while JQ1 alone, as expected, reduces global chromatin binding of BRD4. Integration of RNA-Seq and BRD4 ChIP-Seq data underlines the transcriptional relevance of reallocated BRD4 upon JQ1/BYL719 co-treatment. Immunopreciptation studies showed, that RMS cells are initially primed to undergo mitochondrial apoptosis since BIM is constitutively bound to antiapoptotic BCL-2, BCL xL and MCL-1. JQ1/BYL719 co-treatment increased BIM expression and its neutralization of antiapoptotic BCL-2, BCL-xL and MCL-1 thereby rebalancing the ratio of pro- and antiapoptotic BCL-2 proteins in favor of apoptosis. This promotes activation of BAK and BAX resulting in caspase-dependent apoptosis. The functional relevance of proapoptotic re-balancing for the execution of JQ1/BYL719-mediated apoptosis was confirmed by individual silencing of BMF, BIM, NOXA or overexpression of BCL-2 or MCL-1, which all significantly rescued JQ1/BYL719-induced cell death. Execution of cell death by mitochondrial caspase-dependent apoptosis was veryfied by individual knockdown of BAK and BAX or caspase inhibitor N-Benzyloxycarbonyl-Val-Ala-Asp(O-Me) fluoromethylketone (zVAD.fmk), which all significantly rescued JQ1/BYL719-induced cell death.
In summary, combined BET and PI3Kα inhibition cooperatively induces mitochondrial apoptosis by proapoptotic re-balancing of BCL-2 family proteins accompanied by reallocation of BRD4 to transcriptional regulatory elements of BH3-only proteins.
Die Plasmamembran eukaryotischer Zellen dient als Barriere zwischen dem Inneren einer Zelle und ihrer Umgebung. Eine wichtige Aufgabe von Proteinen, die sich in der Plasmamembran befinden, besteht in der Erkennung der Umgebung, der Übermittlung dieser Informationen über die Plasmamembran in das Innere einer Zelle und der Einleitung einer zellulären Antwort. Membranrezeptoren binden Liganden, was zu ihrer Aktivierung und der Rekrutierung von intrazellulären Proteinen führt. Funktionelle Signalkomplexe werden gebildet und leiten einen Informationstransfer durch die Zellmembran ein, so dass die Expression bestimmter Gene stimuliert oder unterdrückt wird. Eine Störung der Signalinitiierung und -übertragung tritt bei vielen Krankheiten auf, so dass Membranproteine ein wichtiges Ziel in der Medikamentenentwicklung sind.
In dieser Arbeit wird die Fragestellung bearbeitet, wie der Tumornekrosefaktor-Rezeptor 1 (TNFR1) in funktionelle Komplexe in der Plasmamembran einer intakten Zelle organisiert ist. TNFR1 besitzt vier cysteinreiche Domänen (CRDs) in seiner extrazellulären Region. Die erste und von der Plasmamembran am weitesten entfernte CRD ist die Pre-Ligand Assembly Domain (PLAD). Kristallstrukturen zeigten, dass sich in einem TNFR1-Dimer zwei PLAD in unmittelbarer Nähe befinden. Crosslinking-Experimente berichteten über mehrere oligomere Zustände von TNFR1; die Ergebnisse unterschieden sich nach Art und Konzentration des Crosslinkers. In der nativen Umgebung einer intakten Zelle wurde der oligomere Zustand von TNFR1 bisher nicht bestimmt. Der kanonische Ligand für TNFR1 ist der Tumornekrosefaktor alpha (TNF), ein Homotrimer, welches in löslicher oder membrangebundener Form vorliegt. Nach der Bindung von TNF an TNFR1 bilden sich Rezeptortrimere. Diese Proteinkomplexe rekrutieren intrazellulär Proteine und bilden einen funktionellen Membrankomplex, der intrazelluläre Signalkaskaden aktiviert. Die kanonische Signalweiterleitung erfolgt durch den nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B-cells (NF-B), welcher Zellteilung oder Entzündung induziert. TNFR1 kann auch andere Signalwege wie beispielsweise Apoptose durch einen zytosolischen Komplex und die Procaspase-8, oder Nekroptose durch das Nekrosom und die mixed lineage kinase domain-like (MLKL)-Domäne einleiten. Die Dysregulation von TNFR1 ist bei einer Vielzahl von Krankheiten zu finden. Erhöhte TNFR1-Expressiosraten treten bei acquired immune deficiency syndrome (AIDS), multipler Sklerose und verschiedenen Krebsarten auf.
In einem zweiten Projekt wurde in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Michael Lanzer (Heidelberg, Germany) der Expressionsgrad des Proteins VAR2CSA in membranassoziierten knobs bestimmt, welche in Erythrozyten vorkommen, die mit dem Parasiten Plasmodium falciparum infizierten wurden. VAR2CSA gehört zur Proteinfamilie des Plasmodium falciparum erythrocyte membrane protein 1 (pfEMP1). Nach einer Infektion wird VAR2CSA zur Wirtszellmembran transportiert und in knobs eingelagert. Patienten, die Sichelzellenanämie-Erythrozyten (HbAS) aufweisen, sind im Gegensatz zu Patienten mit gesunden Erythrozyten (HbAA) immun gegen Malaria. Während die beiden Erythrozytentypen eine unterschiedliche Morphologie der knobs aufweisen, blieb ihre Zusammensetzung in Bezug auf VAR2CSA bisher ungeklärt.
Das Verständnis der Proteinfunktion erfordert eine Beschreibung der molekularen Organisation funktioneller Einheiten in der zellulären Umgebung. Hierfür ist die Fluoreszenzmikroskopie eine geeignete Methode, da sie eine gezielte Markierung von Zielproteinen ermöglicht. Die hohe Sensitivität ermöglicht die Visualisierung einzelner Proteine. Eine Einschränkung in der konventionellen Fluoreszenzmikroskopie ist die Auflösungsgrenze. Strukturelle Elemente, die kleiner als etwa die halbe Anregungswellenlänge sind (für die meisten Anwendungen 200 bis 300 nm) können nicht aufgelöst werden. Die Entwicklung der hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie ermöglichte es, diese Auflösungsgrenze zu umgehen und eine räumliche Auflösung von wenigen Nanometern zu erreichen, was die Visualisierung und Charakterisierung einzelner Proteinkomplexe ermöglichte. Eine Art der hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie ist die single-molecule localization microscopy (SMLM), die auf der Detektion einzelner Fluorophore, einer genauen Bestimmung ihrer Position (Lokalisation) und der Erzeugung eines rekonstruierten Bildes unterhalb der optischen Auflösungsgrenze basiert. Da die meisten Proben in der Fluoreszenzmikroskopie eine zu hohe räumliche Dichte an Fluorophoren aufweisen, um den Nachweis von einzelnen Fluorophoren zu ermöglichen, werden Verfahren zur Kontrolle der Emission von Fluorophoren eingesetzt. Eine Möglichkeit ist der Einsatz von Fluorophoren, die optisch zwischen einem nicht-fluoreszierenden und einem fluoreszierenden Zustand geschaltet werden können, z.B. photoschaltbare fluoreszierende Proteine in photoactivated localization microscopy (PALM) oder organische Farbstoffe in (direct) stochastic optical reconstruction microscopy ((d)STORM). SMLM erreicht eine räumliche Auflösung von 20 nm, was in den meisten Fällen ausreicht, um einzelne Proteinkomplexe in einer Zelle aufzulösen. Diese räumliche Auflösung ist jedoch nicht ausreichend, um Untereinheiten innerhalb eines Proteinkomplexes zu visualisieren. Zu diesem Zweck wurde SMLM erweitert und die verfügbare kinetische Information genutzt, die bei der Detektion einzelner Fluorophore ausgelesen wird. Viele Fluorophore weisen metastabile Dunkelzustände auf, die eine Lebensdauer von bis zu Sekunden aufweisen. Diese Übergänge erscheinen als "Blinken" der Fluoreszenzemission. In Kombination mit kinetischen Modellen kann aus der Anzahl an Blink-Ereignissen die Anzahl der Fluorophore ermittelt werden. Angewendet auf hochaufgelöste Proteinkomplexe kann die Auflösungsgrenze von hochauflösender Mikroskopie umgangen werden, und die Anzahl der Protein-Untereinheiten in einem hochaufgelösten Proteincluster ermittelt werden. Hierzu wird beispielsweise das photoschaltbare fluoreszierende Protein mEos2 an ein Zielprotein funsioniert (quantitative PALM (qPALM)).
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Electron microscopy (EM) demarcates itself from other structural biology techniques by its applicability to a large range of biological objects that spans from whole cells to individual macromolecules. In single-particle cryo-EM, frozen-hydrated samples, prepared by vitrification with liquid ethane, retain macromolecules in a medium that approximates their natural aqueous environment and that, in this way, preserves high-resolution structural information. Nonetheless, the sensitivity of biological specimens to the high-energy electron beam introduces restrictions on the total dose that can be used during imaging while avoiding significant radiation damage. Consequently, the signal-to-noise ratio attained in each individual image is very low, and structures with high-resolution detail must be recovered by averaging thousands of projections in random orientations. This is achieved through the use of image processing algorithms capable of aligning and classifying particle images through the evaluation of cross-correlation functions between each particle and a reference.
In recent years, several innovations took place in the field of single-particle cryo-EM, among which the development of direct electron detectors must be highlighted. Direct electron detectors have a better detective quantum efficiency (DQE) than both photographic film and CCD cameras, and offer a fast readout, compatible with the acquisition of movie stacks. Additionally, new image processing software has become available, with more sophisticated algorithms and designed to take advantage of the specific characteristics of the movies produced with direct electron detectors. These technological advances in both hardware and software catalyzed a revolution in single-particle cryo-EM, which is now routinely used for the determination of near-atomic structures. As a result, the range of macromolecules accessible to cryo-EM has increased drastically, as targets that were unsuitable before for imaging due to their small dimensions can now be adequately visualized and refined to high-resolution.
During my doctoral work, I have used single-particle cryo-EM to structurally characterize challenging membrane proteins, with a strong emphasis on protein complexes from aerobic respiratory chains. In chapter I of this thesis, I present my results on the bovine respirasome, a mitochondrial supercomplex composed of complexes I, III and IV. Chapter II is dedicated to the analysis of the structure of alternative complex III (ACIII) from Rhodothermus marinus, a bacterial quinol:cytochrome c/HiPIP oxidoreductase unrelated to the canonical cytochrome bc1 complex (complex III). In addition, in chapter III I describe the structure of KimA, a high-affinity potassium transporter that drives the transport of its substrate by using the energy stored in the form of a proton gradient. These three membrane proteins, with molecular weights ranging from 140 kDa to 1.7 MDa, illustrate the possibilities and limitations faced in single-particle cryo-EM.
The aerobic respiratory chain is responsible for the generation of a transmembrane difference of electrochemical potential that is then used by ATP synthase for the production of ATP or for driving solute transport over the membrane. They catalyze the transfer of electrons from a substrate, such as NADH or succinate, to molecular oxygen and use the chemical energy released in these redox reactions to drive the translocation of protons, or in some cases sodium ions, to the intermembrane space in mitochondria or the periplasm in bacteria.
In mitochondria, the respiratory chain is composed of four complexes: complex I (NADH:ubiquinone oxidoreductase), complex II (succinate dehydrogenase), complex III (cytochrome bc1 complex) and complex IV (cytochrome c oxidase). While it was for a long time believed that these complexes existed as single entities in the membrane, the use of milder procedures for protein purification and analysis revealed that respiratory complexes associate into well-ordered structures, known as supercomplexes. These have been proposed to offer different structural and functional advantages that are still controversial, including substrate channeling, stabilization of individual complexes and reduction of reactive oxygen species (ROS) production. The most thoroughly studied respiratory supercomplex has been the respirasome, conserved in higher eukaryotes and composed of one copy of complex I, a complex III dimer and one complex IV. By single-particle cryo-EM analysis, I retrieved a 9 Å map of the respirasome from Bos taurus, which allowed the accurate docking of atomic models of the three component complexes. The structure shows that complex III associates to the concave side of the membrane arm of complex I, while complex IV is located between the end of the complex I hydrophobic arm and complex III. Several defined protein-protein contacts are observed between the component complexes, which are mediated predominantly by supernumerary subunits and close to the membrane surfaces. The interactions established between complex I and complex III are extensive and may support the argument that the association of complex I into supercomplexes is required for the stabilization or even the biogenesis of this complex.
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Polyketide synthases (PKSs) are large megaenzymes that occur in bacteria, fungi, and plants and produce polyketides, a class of secondary metabolites. Many polyketide natural products exhibit high biological activities e.g. as antibiotics or anti-fungal compounds. The modular architecture of assembly line PKSs makes them exciting targets for engineering approaches via the exchange of whole modules or single domains. Although many engineering attempts have been pursued over the last three decades, the resulting chimeric PKSs often exhibit decreased turnover rates or diminished product yields.
In this thesis, new approaches to engineer chimeric PKSs were explored, each targeting a different aspect of the chimeric system: First the relative contribution of protein-protein and protein-substrate recognition on the turnover of chimeric PKS was assessed, revealing the importance of protein-protein interactions between the acyl carrier protein (ACP) and the ketosynthase (KS) domain in the chain translocation step. Directed evolution experiments followed to optimize the protein-protein interaction across a chimeric interface. Additionally, different junction sites for the generation of chimeric PKSs were compared, showing the ability for recombination without interfering with the chain translocation reaction, and highlighting the use of SYNZIP domains to bridge PKS modules. To optimize chimeric PKSs even further, multipoint mutagenesis of KS domains was established, with positive effects on the activity of chimeric systems.
To support engineering attempts, several structure elucidation techniques were combined with in silico modeling to characterize the architecture of a PKS module and the domain-domain interactions within it. Preliminary results show a strong conformational flexibility of the PKS module and the great potential of these techniques to define the multitude of transient interactions in PKS modules.
Transport mechanism of a multidrug resistance protein investigated by pulsed EPR spectroscopy
(2019)
In human several diseases result from malfunctions of ATP-binding cassette (ABC) systems, which form one of the largest transport system superfamily. Many ABC exporters contain asymmetric nucleotide-binding sites (NBSs) and some of them are inhibited by the transported substrate.1 For the active transport of diverse chemically substrates across biological membranes, ABC transport complexes use the energy of ATP binding and subsequent hydrolysis. In this thesis, the heterodimeric ABC exporter TmrAB2,3 from Thermus thermophilus, a functional homolog of the human antigen translocation complex TAP, was investigated by using pulsed electron-electron double resonance (PELDOR/DEER) spectroscopy. In the presence of ATP, TmrAB exists in an equilibrium between inward- and outward-facing conformations. This equilibrium can be modulated by changing the ATP concentration, showing asymmetric behaviour in the open-to-close equilibrium between the consensus and the degenerate NBSs. At the degenerate NBS the closed conformation is more preferred and closure of one of the NBSs is sufficient to open the periplasmic gate at the transmembrane domain (TMD).3 By determining the temperature dependence of this conformational equilibrium, the thermodynamics of the energy coupling during ATP-induced conformational changes in TmrAB were investigated. The results demonstrate that ATP-binding alone drives the global conformational switching to the outward-facing state and allows the determination of the entropy and enthalpy changes for this step. With this knowledge, the Gibbs free energy of this ATP induced transition was calculated. Furthermore, an excess of substrate, meaning trans-inhibition of the transporter is resulting mechanistically in a reverse transition from the outward-facing state to an occluded conformation predominantly.3 This work unravels the central role of the reversible conformational equilibrium in the function and regulation of an ABC exporter. For the first time it is shown that the conformational thermodynamics of a large membrane protein complex can be investigated. The presented experiments give new possibilities to investigate other related medically important transporters with asymmetric NBSs or other similar protein complexes.
Photolabile protecting groups are widely used to trigger oligonucleotide activity. The ON/OFF‐amplitude is a critical parameter. An experimental setup has been developed to identify protecting group derivatives with superior caging properties. Bulky rests are attached to the cage moiety via Cu‐catalyzed azide–alkyne cycloaddition post‐synthetically on DNA. Interestingly, the decrease in melting temperature upon introducing o‐nitrobenzyl‐caged (NPBY‐) and diethylaminocoumarin‐cages (DEACM‐) in DNA duplexes reaches a limiting value. NMR spectroscopy was used to characterize individual base‐pair stabilities and determine experimental structures of a selected number of photocaged DNA molecules. The experimental structures agree well with structures predicted by MD simulations. Combined, the structural data indicate that once a sterically demanding group is added to generate a tri‐substituted carbon, the sterically less demanding cage moiety points towards the neighboring nucleoside and the bulkier substituents remain in the major groove.
Many processes in living cells involve interaction and cooperation of multiple proteins to fulfill a specific function. To understand biological processes in their full complexity, it is not sufficient to only identify the molecules being involved but also to understand the kinetic aspects of a reaction. Mass spectrometry (MS) is a very powerful tool which allows to precisely identify the molecules of a reaction. Usually this is done with tandem-MS experiments for purpose of de-novo peptide sequencing. However, since this involves protein digestion, a statement of the in-vivo constitution of non-covalently bound protein complexes is not possible. In order to detect an intact protein complex it is necessary to analyze the biological system softly and in a near-native environment with native MS. Native MS allows the non-destructive analysis of these non-covalent protein complexes as well as to detect their components. However, up to now native MS does not offer a possibility to resolve the timing of the constitution of protein complexes on a fast time-scale. Therefore, the progress of reactions on fast time-scales is invisible. However, a method which delivers both types of information - identification of the components of a protein complex, as well as time-resolving their interaction - would be of high interest.
A suitable ionization technique for native MS is laser-induced liquid-bead ion desorption (LILBID). LILBID employs well-defined droplets which are irradiated by IR laser pulses to generate gas phase ions. The not-continuous, repetitive nature of ion generation offers itself to the development of a time-resolved (TR) native MS system which is able to investigate protein complexes on a fast time scale. The LILBID-droplets can serve as reaction vessels if they are levitated in an electrodynamic Paul-trap. This new setup would allow sample manipulation and MS analysis on precise and fast reaction time-scales. The first part of this dissertation presents the construction and characterization of a setup for TR-LILBID-MS.
An example for a complex biological system is the self-assembly of beta-amyloid (Aβ). This small peptide is the major component in plaques related to Alzheimer’s disease. Clinically relevant is especially the 42 amino acid peptide Aβ42 which aggregates from monomers to oligomers through to fibrils. The oligomers are the neurotoxic species in this process and thus of high interest. Nevertheless, standard analytical techniques are unable to detect those oligomers which makes MS an optimal tool to study the oligomerization process of Aβ with the focus on disease relevant oligomers. TR-LILBID-MS allows to follow the oligomerization of Aβ enabling to study molecules which influence this kinetic. Combining MS with ion-mobility spectrometry adds an additional dimension - the collision cross section - to the mass-to-charge ratio obtained from MS. Therewith structural alterations induced by ligands can be correlated to differences in the aggregation kinetic. This allows to draw a picture of the aggregation process of Aβ for the development of disease-relevant small oligomers on a molecular level.
Die in der vorliegenden Arbeit gewonnenen Erkenntnisse zur Reaktivität zweifach reduzierter 9,10-Dihydro-9,10-diboraanthracene [A]2– erweitern das Einsatzspektrum von Hauptgruppenverbindungen im Hinblick auf die Aktivierung kleiner Moleküle. Komplementär zu Übergangsmetallkomplexen und FLPs ermöglichen die Salze M2[A] (M+ = Li+, Na+, K+) die Entwicklung neuartiger Synthesestrategien. Als besondere Herausforderung gilt die Aktivierung des stabilen H2-Moleküls, dessen Bindung die Dianionen [A]2– homolytisch in einer konzertierten Reaktion spalten.
Untersuchungen zur Kinetik der H2-Addition an M2[A] stellten die Abhängigkeit dieses Reaktionsschritts vom borgebundenen Substituenten und vom Kation heraus. Eine geringe sterische Abschirmung der Boratome durch kleine borgebundene Substituenten (C≡CtBu, Me, H) begünstigt die H2-Aufnahme gegenüber großen Substituenten (pTol, Xyl, Et). Die maximale Ausbeute an M2[A-H2] wird für M+ = Li+ erst nach mehreren Tagen bei 100 °C erhalten, während einige Stunden bei nur 50 °C für die quantitative Bildung von K2[A-H2] ausreichen.
Unter den Salzen M2[A] eignet sich Li2[68] mit borgebundenen Me-Substituenten besonders gut für den Einsatz als Hydrierungskatalysator. Mit Li2[68] konnten das Imin Ph(H)C=NtBu, das terminale Alken Ph2C=CH2 und Anthracen erfolgreich im NMR-Maßstab hydriert werden (Katalysatorladung 37 mol%, THF-d8, 1 atm H2-Initialdruck, 100 °C, 16 h). Im Reaktionsautoklaven war für die Hydrierung von Ph(H)C=NtBu eine Verringerung der Katalysatorladung auf 10 mol% Li2[68] möglich (THF, 7 atm H2-Initialdruck, 100 °C, 18 h). Konkurrenzreaktionen begründen Einschränkungen in Bezug auf die Substratpalette, da M2[68] (M+ = Li+, Na+) mit elektronenarmen ungesättigten Verbindungen, die C=C-, C≡C-, C=O- oder C=N-Bindungen enthalten, [4+2]-Cycloadditionsprodukte bilden können. Die Reversibilität dieser Reaktion entscheidet, ob Li2[68] als Katalysator fungiert oder irreversibel in den Strukturen gebunden bleibt.
Vielseitiger sind die H2-Aktivierungsprodukte M2[A-H2] als H–-Donoren geeignet: Na2[68-H2] ersetzt Halogenid- durch H–-Substituenten in Bromethan, sowie in Chlorsilanen und PCl3; CO2 wird in Natriumformiat überführt. Unabhängig von der Anzahl der Chlorliganden werden die Produkte immer vollständig hydriert. Eine erneute Reduktion von 68 kann wieder Na2[68] bereitstellen, das H2 aufnimmt und Na2[68-H2] regeneriert, welches für neue H–-Abgaben zur Verfügung steht. Bei der experimentellen Umsetzung des Kreislaufs ist es wichtig, die beschriebenen Reaktionsschritte nacheinander auszuführen und jeweils nur stöchiometrische Mengen des Elektrophils zuzugeben. Bei Abweichungen vom schrittweisen Syntheseprotokoll finden formale nukleophile Substitutionen mit M2[68] statt und monoanionische Spezies entstehen, z. B. wenn Et3SiBr als Elektrophil anwesend ist.
Gegenüber CO2 zeigt Li2[68] eine hohe Reaktivität, durch die selektiv CO und [CO3]2– gebildet werden. Wie zuvor bei den H–-Transferreaktionen ermöglicht die Reduktion der Neutralverbindung 68 die Regeneration von Li2[68].
Die Dianionen [A]2– stechen unter anderen cyclischen Borverbindungen in niedrigen Oxidationsstufen heraus, da mit [A]2– nicht nur die Aktivierung von H2 oder CO2 gelang, sondern erstmalig über die Einbindung der Additionsprodukte in zum Teil katalytische Folgereaktionen berichtet werden konnte.
Multidomain enzymes, such as fatty acid synthases (FASs) or polyketide synthases (PKSs), play a crucial role in the biosynthesis of important natural products. They have a high significance in the development of new pharmaceuticals and various research approaches focus on the engineering of these proteins. For example, human type I FAS is an interesting therapeutic target. Owing to its importance in lipogenesis, upregulation of human type I FAS expression has been observed in numerous cancers. Type I FAS is also regarded as important target in antiobesity treatment. Both multidomain enzyme classes - FASs and PKSs - show high structural and functional similarities. Particularly animal type I FAS is most relevant as evolutionary precursor of the PKS family. Therefore, the well characterized FASs are suitable model proteins for the poorly characterized PKSs, to gain deeper understanding in these megasynthases.
Furthermore, fatty acids are considered to be strategically important platform chemicals accessible through sustainable microbial approaches. The recently acquired structural information on FASs provides an excellent understanding of the molecular basis of fatty acid synthesis. The specific understanding of chain-length control, the characterization of a multitude of substrate-specific thioesterases, and the emerging tools and means for metabolic engineering have fostered targeted approaches for modulating chain length. There is large interest in short-chain fatty acids, since these compounds are biotechnologically valuable platform chemicals and biofuel precursors, and attempts on the synthesis of short-chain fatty acids have been reported during the last years.
Primary focus of this thesis lies on the animal type I FASs, which exhibit large conformational variety, as seen in electron microscopy and high-speed atomic force microscopy. Conformational dynamics facilitate productive protein-protein interactions between catalytic domains within the enzyme and aid acyl carrier protein (ACP)-mediated substrate shuttling during the catalytic cycle of fatty acid biosynthesis. To gain deeper insight into the fundamental processes of ACP-mediated substrate shuttling and the underlying conformational dynamics, spectroscopic methods like Förster resonance energy transfer and electron paramagnetic resonance spectroscopy shall be employed. These spectroscopic methods demand site-specific labeling of proteins with fluorophore or spin labels, which can be accomplished with the amber codon suppression technology. Through amber codon suppression, a non-canonical amino acid (ncAA) with an orthogonal functional group is incorporated site-specifically into the protein sequence, which can be used in chemoselective reactions for protein labeling.
This thesis is at the forefront of employing the technology of amber codon suppression for addressing complex biological questions on megasynthases. The successful production of ncAA-modified FASs is challenging. With the aim of incorporating ncAAs into the multidomain 540 kDa large murine FAS, we by far exceed boundaries of documented application of amber codon suppression. Most of the proteins that are reported by Liu & Schultz in applications of amber codon suppression are in the range of 30kDa - for example the TE domain of human FAS. In the same review, the largest protein amber codon suppression was applied to is a potassium channel with roughly 80 kDa. Thus, to the best of my knowledge no protein exceeding 100 kDa has been used in amber codon suppression so far.
In this thesis a low-complex, well-plate based reporter assay is presented, based on an ACP-GFP fusion protein for fast and efficient screening of ncAA incorporation. Reliability and applicability of the reporter assay is demonstrated by successful upscaling to larger protein constructs and increased expression scale.
As outlined in this thesis, we have carefully set up methods for the modification of murine FAS and made several achievements:
(i) We have created our own toolbox with a multitude of suppressor plasmids and various orthogonal pairs. pACU and pACE plasmids are compatible for fast exchange of cassettes, and cloning procedures are optimized for modification of synthetases by site-directed mutagenesis. (ii) We have organic synthesis of several ncAAs stably running in the lab and synthesis of other ncAAs can be established when required. Therefore, extensive screening at moderate costs is possible. (iii) We have established a reporter assay for screening our own library of vectors for amber codon suppression and for optimizing incorporation of ncAAs. (iv) We successfully incorporated ncAAs into subconstructs and full-length murine FAS, and collected initial promising results for the application of these proteins in spectroscopic methods. Thus, laying the foundation for future studies to address fundamental questions of the ACP-mediated substrate shuttling and other conformational dynamics of these enzymes.
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.
Neurleptic drugs, e.g., aripiprazole, targeting the dopamine D2S and D3 receptors (D2SR and D3R) in the central nervous system are widely used in the treatment of several psychotic and neurodegenerative diseases. Therefore, a new series of benzothiazole-based ligands (3-20) was synthesized by applying the bioisosteric approach derived from the selective D3Rs ligand BP-897 (1) and its structurally related benz[d]imidazole derivative (2). Herein, introduction of the benzothiazole moiety was well tolerated by D2SR and D3R binding sites leading to antagonist affinities in the low nanomolar concentration range at both receptor subtypes. However, all novel compounds showed lower antagonist affinity to D3R when compared to that of 1. Further exploration of different substitution patterns at the benzothiazole heterocycle and the basic 4-phenylpiperazine resulted in the discovery of high dually acting D2SR and D3R ligands. Moreover, the methoxy substitution at 2-position of 4-phenylpiperazine resulted in significantly (22-fold) increased D2SR binding affinity as compared to the parent ligand 1, and improved physicochemical and drug-likeness properties of ligands 3-11. However, the latter structural modifications failed to improve the drug-able properties in ligands having un-substituted 4-phenylpiperazine analogs (12-20). Accordingly, compound 9 showed in addition to high dual affinity at the D2SR and D3R [Ki (hD2SR) = 2.8 ± 0.8 nM; Ki (hD3R) = 3.0 ± 1.6 nM], promising clogS, clogP, LE (hD2SR, hD3R), LipE (hD2SR, hD3R), and drug-likeness score values of −4.7, 4.2, (0.4, 0.4), (4.4, 4.3), and 0.7, respectively. Also, the deaminated analog 10 [Ki (hD2SR) = 3.2 ± 0.4 nM; Ki (hD3R) = 8.5 ± 2.2 nM] revealed clogS, clogP, LE (hD2SR, hD3R), LipE (hD2SR, hD3R) and drug-likeness score values of −4.7, 4.2, (0.4, 0.4), (3.9, 3.5), and 0.4, respectively. The results observed for the newly developed benzothiazole-based ligands 3-20 provide clues for the diversity in structure activity relationships (SARs) at the D2SR and D3R subtypes.
Paramyxo- and pneumoviruses include many pathogens with great relevance for human and animal health. To identify common host factors involved in the Paramyxo- and Pneumoviridae life cycle as a basis for new insights in the biology of these viruses and the development of rationally designed therapeutics, genome scale siRNA screens with wild-type measles, mumps, and respiratory syncytial viruses in A549 cells, a human lung adenocarcinoma cell line, were performed. A comparative bioinformatics analysis yielded different members of the coatomer complex I, the translation factors ABCE1 and eIF3A, and several RNA binding proteins as cellular proteins with proviral activity for all three viruses. The strongest common hit, ABCE1, an ATP-binding cassette transporter member, was chosen for further study. We found that ABCE1 supports replication of all three viruses, confirming its importance for both virus families. While viral protein kinetics showed that ABCE1 knockdown resulted in a drastic decrease of MeV protein expression, viral mRNA kinetics are not directly affected by a reduction of ABCE1.
The impact of ABCE1 on viral and global cellular translation was investigated using both 35S metabolic labelling and non radioactive fluorescent protein labelling. ABCE1 knockdown strongly inhibited the production of MeV proteins, while only modestly affecting global cellular protein synthesis and showed that ABCE1 is specifically required for efficient viral, but not general cellular, protein synthesis, indicating that paramyxoand pneumoviral mRNAs may exploit specific translation mechanisms.
In a second approach the efficacy of the small-molecule polymerase inhibitor ERDRP-0519 against MeV was assessed in squirrel monkeys. Animals treated with the drug experienced less severe clinical disease compared to untreated controls, and this effect correlated with the onset of drug treatment.
We observed a reduction of levels of PBMC-associated viremia and virus release in the upper airways, illustrating effective inhibition of virus replication by the drug treatment. ERDRP-0519 drug treatment also alleviated MeV-induced immunosuppression. In addition to providing proof-of-concept for the support of MeV eradication efforts by preventing disease and transmission with a small-molecule polymerase inhibitor, this dissertation provides a novel perspective on cellular proteins that impact the replication of MeV, MuV and HRSV and highlights the role of ABCE1 as host factor that is required for efficient paramyxo- and pneumovirus translation.
ATP-binding cassette (ABC) transporters constitute an omnipresent superfamily of integral membrane proteins, which catalyze the translocation of a multitude of chemically diverse substrates across biological membranes. In humans, ABC transporters typically act as highly promiscuous exporters, responsible for many physiological processes, multi-drug resistance, and severe diseases, such as hypercholesterolemia, lipid trafficking disorders, and immune deficiency. In all ABC transporters, ATP-driven movements within two highly conserved nucleotide-binding domains (NBDs) are coupled to conformational changes of two transmembrane domains (TMDs), which provide a framework for substrate binding and release on the opposite side of the membrane and enable the transporter to cycle between inward-facing and outward-facing orientations. Several structures of ABC transporters determined either by X-ray crystallography or single-particle electron cryo-microscopy (cryo-EM) have been reported, mostly exhibiting a variation of the inward-facing state, which highlights their dynamic behavior. However, for a complete understanding of the conformational dynamics, further structural information on intermediates is needed – especially for heterodimeric ABC transporters, which are predominant in humans and for which only limited structural information is available.
One prime example of such human heterodimeric ABC transport complexes is the transporter associated with antigen processing (TAP). TAP is a key player of the adaptive immune response, because it translocates proteasomal degradation products into the ER lumen for loading of MHC I molecules. Many functional aspects of TAP have been disclosed in recent years. However, structural information is lacking far behind and a major challenge in the field of medical relevant transporters. Recently, the heterodimeric ABC export system TmrAB (Thermus thermophilus multidrug resistance proteins A and B) was identified as an ortholog of TAP, by sharing structural homology with TAP and, intriguingly, being able to restore antigen presentation in human TAP-deficient cells. Thus, TmrAB is a biochemically well-characterized ABC exporter that can be regarded as a functional ortholog of TAP and serves as a model system for (heterodimeric) ABC export systems in general.
Thus, to illuminate the molecular basis of substrate translocation by single-particle cryo-EM, one of the main objectives of this work was the generation of stabilizing chaperones (synthetic antibodies, nanobodies, cyclic peptides) to reduce the conformational heterogeneity of TAP and TmrAB. Selected antibodies were analyzed with respect to stable complex formation, conformational trapping, and the ability to serve as alignment tools for structural studies by single-particle cryo-EM. Both antibody types were shown to form sufficiently stable complexes to serve as a rigid body for EM analyses. However, all selected antibodies bound to the inward-facing state exclusively.
Hence, for EM studies, various ligands were added to elucidate the full spectrum of conformational states during the catalytic cycle. For TAP, first attempts by negative-stain EM revealed a homogenous distribution of particles on the grid. Surprisingly, no transporter-like features were observed although various attempts were applied to increase the overall sample quality.
For TmrAB, in contrast, the complete conformational space in a native-like lipid environment under turnover conditions was mapped. Cryo-EM analysis of TmrAB incubated with ATP-Mg2+ and substrate revealed two distinct inward-facing conformations (IFwide and IFnarrow) as well as two asymmetric conformations with dimerized NBDs, which were markedly different from all previously reported structures. Here, the catalytically active site was slightly wider and contained ADP, while ATP was still bound at the catalytically-inactive site within the NBDs, demonstrating an asymmetric post-hydrolysis state. Intriguingly for the inward-facing conformations, a weak additional density close to residues M139TmrB and W297TmrB was observed in the inward-facing conformation, which displayed a higher degree of cytosolic gate opening (IFwide) indicating the presence of substrate. To verify that this density corresponds to substrate, single alanine mutations of M139TmrB and W297TmrB were introduced, leading to a strong reduction in substrate binding and transport. Since substrate release requires the opening of the extracellular gate, the absence of an outward-facing open conformation indicated that the opening must be highly transient. In order to explore the outward-facing open conformation, a cryo-EM analysis of the catalytically-inactive TmrAE523QB mutant upon incubation with ATP-Mg2+ was performed. Remarkably, within the same dataset, two different outward-facing conformations (occluded and open) were resolved, both in an ATP-bound state, which indicated that binding of ATP is sufficient to drive the large-scale conformational transition from inward-facing to outward-facing open. To explore the effect of nucleotide hydrolysis, TmrAB was trapped by vanadate. Again, two populations were observed, representing the outward-facing open and outward-facing occluded conformation.
Based on several structures of key intermediates, determined under turnover conditions or trapped in the pre-hydrolysis and hydrolysis transition state, for the first time the complete description of the ATP hydrolysis and translocation cycle of a heterodimeric ABC transport complex was elucidated in one single study. By mapping the conformational landscape during active turnover, aided by mutational and chemical modulation of kinetic rates, fundamental and so-far hidden steps of the substrate translocation cycle of asymmetric ABC transporters were resolved and a general template for (heterodimeric) ABC exporter-catalyzed substrate translocation was provided.
Proteostasis stressors that destabilize the cellular proteome, like heat shock, trigger transcription and translational reactions leading to the accumulation of heat shock proteins, also called molecular chaperones. During stress, induction of stress response genes is prioritized so that molecular chaperones and other stress response proteins are synthesized to cope with proteome misfolding and aggregation. In order to promote the selective translation of stress-specific genes, translation of others genes that are nonessential for cell survival has to stop. Nonessential protein-coding mRNAs accumulate in the cytosol with the associated proteins to form granular structures called stress granules (SG). These membrane-less organelles are thought to be involved in cell survival, mRNA stabilization and mRNA triage. They were proposed to form via the liquid-liquid phase separation which can be triggered by the high local concentration of RNA-binding proteins. mRNAs were long thought to simply play a scaffolding role by bringing RNA-binding proteins together and allowing their concentration and local aggregation. Recently, the active role of mRNAs in the SG assembly became apparent, too. For example, the spontaneous assembly of total yeast RNA into granules was observed, and these RNA granules showed a large overlap with SG transcriptome. Furthermore, cytosolic mRNAs can be released from polyribosomes under stress and be exposed to the cytosolic contents as free mRNAs. It has been suggested that this massive increase of free mRNA in the cytosol might overload the capacities of RNA-stabilizing proteins. The remaining free mRNA molecules would then become exposed to misfolded and aggregation-prone proteins and trigger granulation.
We investigated the role of free mRNAs in different stress conditions during the early and chronic phases of stress response and explored their involvement in SGs assembly and amlyoidogenesis. We identified and studied the interactome of a free mRNA probe incubated with heat shocked cell lysate by means of quantitative mass spectrometry. Proteomics analysis allowed us to identify 79 interactors of free mRNA. Among these interactors, we focused on the translation initiation factor eIF2α and on the RNA methyltransferase TRMT6/61A. Both interactions were verified biochemically, which confirmed that the association is enhanced in heat shocked lysate. In vitro reconstitution showed that free mRNA and TRMT6 interact directly. Ex vivo pulldowns revealed that eIF2α and TRMT6/61A interact under stress conditions and that this interaction is RNA-dependent.
TRMT6/61A is a tRNA methytransferase responsible for the methylation of the adenosine 58 at the position 1 producing m1A. However, also mRNAs have been recently found to be methylated by TRMT6/61A. Our bioinformatics analyses revealed that significantly more mRNAs enriched in SG contain the motif for methylation than SG-depleted mRNAs. We hypothesized that m1A methylation of mRNAs could constitute a tag for the mRNAs targeting to SGs. TRMT61A knock-down (KD) cell lines were generated using the CRISPR-Cas9 technique. In TRMT61A KD cells, m1A was significantly reduced on mRNAs, which correlated with an increased sensitivity of the cells to proteostasis stress. KD cells also showed defects in SG assembly. In heat shocked cells, an m1A motif-containing mRNA recovered better after returning to normal temperature than a control mRNA with mutated motif. In addition, we could isolate SGs and analyze their m1A and m6A content by mass spectrometry. While m6A content in SG mRNAs was very similar to cytosolic mRNAs, m1A was almost 8 times enriched in SGs. Thus, we could confirm experimentally the results of the bioinformatics analysis and directly support the hypothesis that m1A is a tag to direct mRNAs for sequestration. Finally, we compared amyloidogenesis in wild-type and TRMT61A KD cell lines. Cells with reduced levels of TRMT61A demonstrated an increased accumulation of transfected Aβ and an impaired aggregate clearance. Various assays led us to conclude that the lack of m1A deposition on mRNAs enhanced RNA co-aggregation with amyloids.
Based on our results, we propose a model explaining the fate of free mRNA during proteostasis stress. Upon polysome disassembly, free mRNA is released and becomes free to interact with other proteins, including the methyltransferase TRMT6/61A. TRMT6/61A methylates the freed mRNAs containing the cognate motif. The m1A tag then targets mRNAs to SGs promoting sequestration. Upon stress release, SGs disassemble, thus releasing rescued mRNAs which could now reenter translation and support cell recovery. On the other hand, non-sequestered mRNAs increasingly co-aggregate with aggregating proteins. Thus, deficiency of the N1-adenine methylation of mRNAs due to the lack of TRMT6/61A increases the amount of unpacked mRNAs. The deposition of m1A on mRNAs could then be a way to protect them during exposure to stress, to limit their co-aggregation with misfolded proteins and to allow a faster recovery upon stress release.
Enolase is a glycolytic enzyme, which catalyzes the inter-conversion of 2-phosphoglycerate to phosphoenolpyruvate. Altered expression of this enzyme is frequently observed in cancer and accounts for the Warburg effect, an adaptive response of tumor cells to hypoxia. In addition to its catalytic function, ENO-1 exhibits other activities, which strongly depend on its cellular and extracellular localization. For example, the association of ENO-1 with mitochondria membrane was found to be important for the stability of the mitochondrial membrane, and ENO-1 sequestration on the cell surface was crucial for plasmin-mediated pericellular proteolysis. The latter activity of ENO-1 enables many pathogens but also immune and cancer cells to invade the tissue, leading further to infection, inflammation or metastasis formation. The ability of ENO-1 to conduct so many diverse processes is reflected by its contribution to a high number of pathologies, including type 2 diabetes, cardiovascular hypertrophy, fungal and bacterial infections, cancer, systemic lupus erythematosus, hepatic fibrosis, Alzheimer’s disease, rheumatoid arthritis, and systemic sclerosis. These unexpected non-catalytic functions of ENO-1 and their contributions to diseases are the subjects of this review.
Living matter is defined by metastability, implying a tightly balanced synthesis and turnover of cellular components. The first step of eukaryotic protein degradation via the ubiquitin-proteasome system (UPS) leads to peptides, which are subsequently degraded to single amino acids by an armada of proteases. A small fraction of peptides, however, escapes further cytosolic destruction and is transported by ATP-binding cassette (ABC) transporters into the endoplasmic reticulum (ER) and lysosomes. The ER-resident heterodimeric transporter associated with antigen processing (TAP) is a crucial component in adaptive immunity for the transport and loading of peptides onto major histocompatibility complex class I (MHC I) molecules. Although the function of the lysosomal resident homodimeric TAPL-like (TAPL) remains, until today, only loosely defined, an involvement in immune defense is anticipated since it is highly expressed in dendritic cells and macrophages. Here, we compare the gene organization and the function of single domains of both peptide transporters. We highlight the structural organization, the modes of substrate binding and translocation as well as physiological functions of both organellar transporters.
Die Lebensfunktion der Zelle beruht unter anderem auf der Funktion und Wechselwirkung der Nukleinsäuren DNA (2’-Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure). Mit Hilfe von PDS (engl. ’pulsed dipolare spectroscopy’)-Techniken, basierend auf der EPR (engl. ’electron paramagnetic resonance’)-Spektroskopie, können Abstände in einem Bereich von 2-10 nm zwischen zwei markierten Positionen einer Nukleinsäure bestimmt werden. Daneben kann mit der Abstandsverteilung auf die Flexibilität des Moleküls geschlossen werden. Durch PDS-Messungen eröffnet sich die Möglichkeit, Bewegungen und Zustandsänderungen zu untersuchen. Die Messungen beruhen auf der dipolaren Kopplung von Radikalen (Spinlabel). Da die gemessenen dipolaren Kopplungen eine anisotrope Wechselwirkung sind, können an starren Systemen neben den Abstandsinformationen auch die Orientierungen der beiden Spinlabel zueinander bestimmt werden. Diese zusätzliche Information ermöglicht es, mittels orientierungsselektiver PDS-Messungen noch genauer die Geometrie und Flexibilität des Systems zu untersuchen. Klassischerweise werden alle Messungen mit der Doppelfrequenztechnik PELDOR (engl. ’pulsed electron-electron double resonance’) durchgeführt. Einzelfrequenzmethoden basieren dagegen auf Breitbandanregung, die mit den technischen Gegebenheiten l nge nicht möglich war. Eine solche Sequenz ist 2D-SIFTER.ImmRahmen dieser Arbeit von PELDOR ausgehende, weiterentwickelte Simulationsprozedur etabliert. Eine große Herausforderung ist die eindeutige Interpretation der sensitiven orientierungsselektiven PELDOR-Messungen. Sie mittels MD (Moleküldynamik)-Simulationen zu beschreiben war bisher nur qualitativ möglich. Allerdings wurden mehrere neue Kraftfelder publiziert. Mit einem quantitativen Vergleich mit orientierungsselektiven PELDOR-Daten kann sichergestellt werden, dass die Flexibilität des Systems durch Kraftfelder richtig beschrieben ist. PELDOR-Zeitspuren, gemessen bei Raumtemperatur und 50 K, unterscheiden sich besonders in ihrer Dämpfung. Der physikalische Unterschied beider Messungen konnte durch MD-Simulationen qualitativ nachvollzogen worden. Eine Schwierigkeit für speziell orientierungsselektive PELDOR-Messungen ist die aufwendige Synthese von mit dem starren Ç-Label markierten Nukleinsäuren. Als Alternative wurde in der Sigurdsson-Gruppe das halbstarre IMU-Label entwickelt. Die Analyse der orientierungsselektiven Daten ergab ein klares Bild der Dynamik dieses Labels. Ein weiterer interessanter Spinlabel ist der `G. Dieser Label ist nicht kovalent gebunden, sondern interkaliert in eine Stelle der Nukleinsäure, in der eine Guanin- Base fehlt. MD-Simulationen im quantitativen Vergleich mit orientierungsselektiven PELDOR-Messungen an verschiedenen Magnetfeldern haben eine hohe Übereinstimmung. Dabei konnte gezeigt werden, dass der Label, interkaliert in eine dsDNA, flippen kann, was zu einer Ausmittelung der Anisotropie führt, allerdings zu keiner Verbreiterung der Abstandsverteilung. Dagegen wird in der dsRNA dieses Flippen um die Einfachbindung sterisch gehindert, so dass neben dem Abstand auch die Orientierung des Labels bestimmt werden kann. Kurze dsRNA-Bausteine tendieren dazu, Oligomere zu bilden, was zu Multispineffekten führte. Zusätzlich beeinflusst diese Aggregation die Dynamik der einzelnen RNAs. Daher musste dieses ’end-to-end’-Stacking verhindert werden. Eine Nukleobasean einem Ende der dsRNA führt zu einer Dimerisierung, während eine Nukleobase an beiden Seiten dieses Stacking vollständig verhindert. Messungen mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen konnten zusätzlich zeigen, dass die Interaktion zweier dsRNAs bei höheren Salzkonzentrationen zunimmt.
The three major autoimmune diseases (ADs) of the liver are primary biliary cholangitis (PBC), primary sclerosing cholangitis (PSC), and autoimmune hepatitis (AIH). All of those diseases show an aggressive immune reaction resulting in the destruction of liver tissue and finally to the development of hepatic fibrosis.
PSC is an autoimmune mediated disease of unknown etiology. It is characterized by inflammation of intra- and extrahepatic bile ducts. The progressive destruction of the bile ducts can lead to liver cirrhosis and finally to liver failure. Clinical signs for PSC are increased alkaline phosphatase (AP) and gamma glutamyltransferase (GGT) levels, presence of perinuclear anti-neutrophil cytoplasmic antibodies (pANCA) and bile ducts with characteristic strictures and dilations of the biliary tree as well as onion skin fibrosis surrounding the damaged bile ducts. Currently, there is no established treatment for PSC patients. The administration of ursodeoxycholic acid (UDCA) is being use as a therapy. However, it merely serves a symptomatic treatment to reduce serum AP and GGT as well as the formation of gallstones. In the advanced stage of PSC, liver transplantation is the last therapeutic option. Mdr2-/- mice are an excepted mouse model for human PSC. Such mice show lymphocytes infiltration into the liver, bile duct lesions, as well as the presence of the typical onion skin-like pericholangitis and periductal fibrosis.
AIH is a rare chronic autoimmune disease of the liver that results from the loss of self-tolerance to hepatocytes and leads to destruction of the hepatic parenchyma with the onset of cirrhosis. Clinical signs for AIH are elevated alanine aminotransferase (ALT) and aspartate transaminase (AST) levels, hypergammaglobulinemia and different types of autoantibodies. In addition, interphase hepatitis with lymphocytic and plasmacellular infiltrates in the periportal field are characteristic for AIH. Two different subtypes of AIH exist and depending on their autoantibody profile they can be distinguished into AIH type 1 which is characterized by the presence of anti-nuclear (ANA) and/or anti-smooth muscular (SMA) autoantibodies, and AIH type 2 showing liver/kidney microsomal autoantibodies (LKM-1). LKM-1 recognizes the major autoantigen, the 2D6 isoform of the cytochrome P450 enzyme family (CYP2D6). One mouse model for AIH is the CYP2D6 model in which the injection of Ad-2D6 leads to a breakdown of the immune tolerance by the destruction of hepatocytes.
There are some patients with autoimmune diseases of the liver who have both cholestatic and hepatic liver enzymes and histological features suggestive of two different liver diseases. These patients are diagnosed with an overlap syndrome (OS).
In my thesis I generated an animal model with characteristics of both diseases, which would mimic features of human PSC-AIH OS. Mdr2-/- mice which spontaneously develop PSC were infected with Ad-2D6 to trigger the autoimmune-driven hepatic injury. Pathogenesis of PSC-AIH OS mice was compared to mice with solitary PSC or AIH. Naïve FVB wild type mice have been used as healthy controls. The characterization of the PSC-AIH OS model was done by analyzing serological parameters like ALT, AP, different antibodies like pANCA, LKM-1 like CYP2D6 and total IgG. Additionally, fibrosis and cholangitis were analyzed by immunohistochemistry and Western blotting. Moreover, cellular infiltrations of CD4+ and CD8+ T cells, dendritic cells (DCs), monocytes/macrophages and neutrophils were determined with immunohistochemistry. Finally, the overall immune balance in the liver and the frequency of CYP specific T cells were analyzed via flow cytometry. Our new mouse model indeed represents the characteristics of both PSC and AIH and mimics features of the human PSC-AIH OS. It allows studying the development of a PSC-AIH OS and how the two overlapping diseases are influencing one another. In a second approach I wanted to induce CYP2D6-specific tolerance in AIH mice. Therefore, I tried four different approaches, namely intranasal peptide administration, injection of tolerogenic DCs, antigen-coupled splenocytes, and Ag-coupled nanoparticles (NP) and evaluated their potential to induce CYP2D6 specific Treg with the capacity to prevent AIH in mice. Unfortunately, the intranasal peptide administration and also the injection of tolerogenic DCs did not increase the amount of CYP2D6 specific Treg which would lead to a reduction of the frequency of inflammatory T cells. Surprisingly, the injection of antigen-coupled splenocytes showed the opposite effect characterized by a very strong cytokine secretion in the tolerized mice. The use of NPs led to an increase in CYP2D6 specific Treg as well as in decrease in the frequency of inflammatory T cells and finally has the potential for a therapeutic approach.
In summary, the generated PSC-AIH OS model represents many clinical signs which can also be observed in PSC-AIH OS patients. This model can be used to study the etiology of this overlap syndrome and further to test potential therapeutic approaches. The different immune tolerance induction pathways which I tried in the AIH model show that NPs have to potential to induce immune tolerance but this approach has to be refined and the outcome has to be characterized in more detail.
Die CXCR4-CXCL12-Signalachse gilt als eines der bislang am besten studierten Signalsysteme in der Hämatopoese. Allerdings stammt unser Wissen über diesen kritischen Signalweg maßgeblich aus subtraktiven Studien, wie z.B. knock-out Modellen oder pharmakologischer Inaktivierung. Zwar können aus diesen Modellen wichtige Erkenntnisse über die physiologische Rolle dieses Signalwegs abgeleitet werden, aber dennoch bleiben einige Phänomene ungeklärt. So konnte gezeigt werden, dass es sowohl bei CXCR4-Defizienz als auch bei Patienten mit dem WHIM-Syndrom (ausgelöst durch eine überaktive CXCR4-Mutante) zu einer ausgeprägten B-Zellaplasie kommt. Dies scheint intuitiv nicht vereinbar. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit ein Modell mit einer überaktiven CXCR4- Mutante (CXCR41013/1013) hinsichtlich der (un)reifen Hämatopoese systematisch untersucht.
Zunächst wurden hämatopoetische Stamm- und Vorläuferzellen (HSPC) hinsichtlich der aberranten CXCR4-Signalweiterleitung ex vivo analysiert. Die CXCR4-Überaktivierung konnte sowohl in frühen Effekten nach Aktivierung des Rezeptors (F-Aktinpolymerisierung, Aktivierung des MAPK- Signalweges), als auch in späten, zellfunktionellen Effekten (Migrationsassay) nachgewiesen werden. Die veränderte CXCR4 Signalintegration hatte auch bereits in der Homöostase organismische Konsequenzen im Mausmodell. So konnte eine massiv vergrößerte HSPC-Population in der Milz von CXCR41013/1013-Tieren detektiert werden, im Sinne einer extramedullären Hämatopoese. Knochenmarks-HSPC aus CXCR41013/1013-Tiere zeigten ein massiv eingeschränktes (serielles) Repopulationspotenzial. Kombiniert mit der oben genannten ausgeprägten extramedullären Hämatopoese in diesen Tiere interpretieren wir diese Beobachtung als starken Hinweis auf eine dysfunktionelle Interaktion der Stammzellen mit der hämatopoetischen Stammzellnische im Knochenmark. In diesem Zusammenhang besonders interessant ist die Tatsache, dass auch ein Kompetitorknochenmark das Überleben einer Sekundärtransplantation nicht sichert. Dabei ist zu diskutieren, ob dieser Effekt durch eine effizientere Besetzung von Stammzellnischen durch CXCR41013/1013-Zellen, eine Akkumulation von CXCL12 in der Knochenmarkflüssigkeit (siehe unten) oder eventuell sogar ein vesikelabhänginger Transport von mutiertem CXCR4 in Kompetitorzellen ausgelöst wird. Ein weiteres Merkmal dieser Dysfunktion könnte ebenfalls die gezeigte Akkumulation von CXCL12 in der Knochenmarkflüssigkeit von CXCR41013/1013-Tiere darstellen. Diese Akkumulation könnte die Suppression co-transplantierter wildtypischer Hämatopoese sowie die verminderte Effizienz der G-CSF-induzierten Stammzellmobilisierung funktionell erklären. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die Mobilisierung von Stammzellen aus dem Knochenmark durch einen CXCR4- Inhibitor in CXCR41013/1013-Tieren ebenfalls erheblich hinter der in Wildtypmäusen zurückbleibt.
Analog zu Patienten mit WHIM-Syndrom zeichnen sich CXCR41013/1013-Mäuse weiterhin durch eine ausgeprägte Leukopenie, insbesondere durch einen schweren B-Zell-Mangel, aus. Aus diesem Grund wurde die B-Lymphopoese und humorale Immunfunktion genauer analysiert. Eine grundsätzliche humorale Immunkompetenz von CXCR41013/1013-Tieren konnte nachgewiesen werden, jedoch ist die B-Memory-Funktion erheblich eingeschränkt. Durchflusszytometrisch und funktionell konnte eine reduzierte preB/pro-B Population im Knochenmark bei einer gleichzeitig vergrößerten preB/pro-B Population in der Milz (vgl. extramedulläre Hämatopoese) nachgewiesen werden. Ebenfalls konnten wir in dieser Zellpopulation eine stark erhöhte CXCR4-Oberflächenexpression im Vergleich zu wildtypischen Zellen nachweisen. Da diese unreifen B-Zellen keine verstärke Apoptoserate aufweisen, gehen wir derzeit davon aus, dass der Differenzierungsstopp nicht durch selektiven Zelltod, sondern durch aberrante Retention der preB/proB-Zellen in einer primitiven B-Vorläufer- Nische im Knochenmark zustande kommt, beziehungsweise durch eine gestörte Migration in differenzierende Nischen im Knochenmark. Alternativ könnte die Überdosis CXCR4-Signal differenzierenden Signalen entgegenstehen. Beide Hypothesen können das eingangs erwähnte Paradoxon bezüglich einer B-Zellaplasie in CXCR4-defizienten und CXCR4-überaktiven Zellen hinreichend erklären.