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Photolabile protecting groups (PPGs, cages, photocages) are molecules which can block the activity of a functional group and be removed by irradiation of light of an appropriate wavelength. One of the goals of this work was to design new photolabile protecting groups, based on a literature known one. The far-UV absorbing diethylamino benzyl (DEAMb) photocage, developed by Wang et al., was selected as structural basis for this work. In order to trigger the uncaging reaction with longer wavelengths (≥365 nm), thus allowing also biological applications, its structure was optimized. This was done by elongating the π-orbital conjugation using biphenyl derivatives instead of a single aromatic moiety. The photocage was loaded with glutamic acid as the leaving group.
The highest bathochromic shift was shown by compounds, which had the smallest sterical hindrance imposed on the second aromatic ring. The absorption spectrum was more redshifted if the second aromatic ring contained an electron withdrawing group. However, the stronger the substituents electron withdrawing strength was, the lower the uncaging quantum yield was. It was rationalized, that this is due to a decreased excited state electron density at the benzylic carbon of the DEAMb core which is necessary to trigger bond dissociation. This has been confirmed using TDDFT (time-dependent density functional theory) computations done by Jan von Cosel, Konstantin Falahati and Carsten Hamerla (from the group of Irene Burghardt). The best uncaging quantum yield was 42% for m-phenyl substituted DEAMb, while if a strong electron withdrawing group was present (nitro group), there was no photoactivity at all.
In order to achieve a better π-orbital conjugation of the non-coplanar biphenyl derivatives, a C-C bond was introduced between the benzylic carbon and the second aromatic ring. The resulting planar compounds belong to the fluorene class. The computational data predicted the photochemical meta effect to some extent to be preserved in these molecules. A set of fluorene derivatives was synthesized and photochemically characterized. The molar absorption coefficients of all prepared fluorene derivatives were higher than for any of the biphenyl derivatives. Quantum yields of the acetate release ranged between 3-42%, thus being as good as the best glutamic acid releasing biphenyl compounds. The highest uncaging cross section of the acetate release from the prepared fluorene derivatives was above 5000 M^-1 cm^-1. This value proves the high potential of the new fluorene based photocages developed in this work. Furthermore, release of hydroxide ion from fluorenol could be shown along with generation of, presumably, fluorenyl cation. These intriguing results paves a way for further exploration of fluorene based photocages for the release of bad leaving groups.
The second part of this work describes the custom synthesis of 13C labeled compounds for the VIPER (VIbrationally Promoted Electronic Resonance) project. In the VIPER pulse sequence, a molecule is vibrationally excited by a narrow band IR-pump pulse. The following Vis-pump pulse will promote the vibrationally pre-excited molecules to an electronically excited state. This Vis-pump pulse is offresonant for the not vibrationally pre-selected species and only resonant with the molecules, which are already pre-excited by the IR-pump pulse. Since the IR absorption bands usually are well resolved, a selective excitation of one molecule in an ensemble of similar ones is possible in the IR frequency range. Isotopologues and isotopomers are an extreme case of molecules which are near identical and differ only by isotopic composition or position. As a result in solution and at room temperature they have an identical UV-Vis absorption spectrum but different IR spectrum. This allows vibrational excitation of only one isotopologue (or isotopomer).
Isotopic labels were introduced in known photocages: 7-diethylamino coumarin (DEACM) and para-hydroxy phenacyl (pHP). The position for isotopic label incorporation in these molecules was guided by computations done by Jan von Cosel and Carsten Neumann. To allow control of the photoreactions in an ultrafast timescale, an IR active leaving group was used. The uncaging behavior of the prepared molecules in steady state was tested using chromatography (HPLC) and spectroscopy (1H NMR, FTIR and UV-Vis). The VIPER experiments were performed by Daniela Kern-Michler, Carsten Neumann, Nicole Mielke and Luuk van Wilderen (from the group of Jens Bredenbeck). A selective uncaging of only the vibrationally pre-excited molecules could be achieved.
KdpFABC, a high-affinity K+ pump, combines the ion channel KdpA and the P-type ATPase KdpB to secure survival at K+ limitation. Here, we apply a combination of cryo-EM, biochemical assays, and MD simulations to illuminate the mechanisms underlying transport and the coupling to ATP hydrolysis. We show that ions are transported via an intersubunit tunnel through KdpA and KdpB. At the subunit interface, the tunnel is constricted by a phenylalanine, which, by polarized cation-π stacking, controls K+ entry into the canonical substrate binding site (CBS) of KdpB. Within the CBS, ATPase coupling is mediated by the charge distribution between an aspartate and a lysine. Interestingly, individual elements of the ion translocation mechanism of KdpFABC identified here are conserved among a wide variety of P-type ATPases from different families. This leads us to the hypothesis that KdpB might represent an early descendant of a common ancestor of cation pumps.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Dynamik zweier grundlegend verschiedener, deaktivierender Mechanismen von Retinalproteinen untersucht. In einem dritten Projekt wurde die Photodynamik einer Dreifachmutante von visuellem Rhodopsin erforscht, von der eine Mutation zu kongenitaler (angeborener) Nachtblindheit führt und zwei andere Mutationen das Protein über eine Disulfidbrücke stabilisieren. Die Ergebnisse dieser drei Projekte sind im Folgenden zusammengefasst.
Die Aktivität des mikrobiellen Proteorhodopsins als lichtgetriebene Protonenpumpe kann photoinduziert unterbunden werden. Dies erfolgt durch die Absorption von blauem Licht durch das Retinal bei deprotonierter Schiff‘schen Base. Vor dieser Arbeit war allerdings nur wenig über den Mechanismus und die Kinetik dieses Effekts bekannt. Das einzige Retinalprotein, an dem diese Deaktivierungsdynamik auf molekularer Ebene zeitaufgelöst untersucht wurde, ist Bakteriorhodopsin. Doch auch an diesem System wurde die ultraschnelle Primärreaktion in der photoinduzierten Deaktivierungsdynamik - die Photoisomerisierung des 13-cis-Retinals - bisher nicht zeitaufgelöst gemessen.
In dieser Arbeit wurde ein Weg gefunden, diesen Prozess auf einer Sub-Pikosekundenzeitskala zu detektieren. Dazu wurde eine Proteorhodopsinmutante genutzt, in der der primäre Protonendonor E108 durch Glutamin ersetzt ist. Diese Mutante weist eine signifikante Erhöhung der Lebensdauer des M-Intermediats auf. Im photostationären Gleichgewicht führt diese veränderte Kinetik zu einer erheblich erhöhten Akkumulation des Proteins im M-Zustand, die ausreicht, um photoinduzierte Absorptionsänderungen der Deaktivierungsdynamik sowohl im sichtbaren als auch im mittleren Infrarotbereich auf ultrakurzer Zeitskala zu detektieren. Dieses Projekt erfolgte in Kooperation mit dem Arbeitskreis Glaubitz (Goethe-Universität Frankfurt am Main).
Es zeigte sich, dass die Anregung des Retinals von Proteorhodopsin im M-Zustand zur Isomerisierung von 13-cis zu all-trans führt, die nach wenigen Pikosekunden abgeschlossen ist. Der zweite und abschließende Schritt ist die Reprotonierung der Schiff'schen Base. Es stellte sich heraus, dass dieser Prozess auf einer Nanosekundenzeitskala abläuft und über einen Protonentransfer vom primären Protonenakzeptor D97 zur Schiff'schen Base ermöglicht ist.
Die in dieser Arbeit vorgestellte Methodik zur Untersuchung der deaktivierenden Photodynamik von Proteorhodopsin auf ultraschneller Zeitskala, könnte in Zukunft auf weitere mikrobielle Rhodopsine angewandt werden. So ist die Studie der Deaktivierungsdynamik von Channelrhodopsinen von großem Interesse für optogenetische Anwendungen. Eine lichtgesteuerte Kontrolle der Ionenkanalöffnung und -schließung sollte die Präzision in der Regulierung ionischer Permeation erheblich verbessern.
Die Proteorhodopsinmutante E108Q wurde außerdem in ihrer primären Photodynamik sowohl bei grünem als auch blauem Anregungslicht untersucht. Es zeigte sich in beiden Fällen eine Dynamik, die der des Wildtyps sehr ähnlich ist. Eine Beobachtung unterscheidet sich jedoch wesentlich vom Wildtyp. Das K-Intermediat der E108Q-Mutante scheint nach einigen hundert Pikosekunden zumindest partiell zu zerfallen, woraufhin sich eine Signatur im blauen Spektralbereich bildet. Blitzlichtphotolysemessungen lassen vermuten, dass diese blau absorbierende Species im zwei- bis dreistelligen Nanosekundenbereich wieder zerfallen sein muss.
Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Photozerfall von visuellem Rhodopsin. Es ist bekannt, dass die Signaltransduktion durch Wechselwirkung zwischen aktiviertem Rhodopsin und Arrestin unterbunden wird. Im ersten Abschnitt wurde der Einfluss der Arrestin-1-Variante p44 auf die Photodynamik visuellen, bovinen Rhodopsins untersucht. In einer Kooperation mit dem Arbeitskreis Schwalbe (Goethe-Universität Frankfurt am Main) konnte gezeigt werden, dass Arrestin erheblichen Einfluss auf die Zerfallsdynamik von Meta II und Meta III hat. Es wurde festgestellt, dass die Wechselwirkung von p44 mit photoaktiviertem Rhodopsin eine erhöhte Population des Intermediats Meta III bewirkt, mit der Folge einer zweifach langsameren Freisetzungskinetik des all-trans-Retinals. Diese Beobachtung weist auf eine physiologische Rolle des Zustands Meta III in der Retinalhomöostase hin.
Gegenstand einer zweiten Studie mit dem Arbeitskreis Schwalbe ist zum einen die Rhodopsinmutation G90D, die mit kongenitaler (angeborener) stationärer Nachtblindheit zusammenhängt, und zum anderen die Doppelmutation N2C und D282C, die zur Ausbildung einer stabilisierenden Disulfidbrücke zwischen den im extrazellulären Bereich eingeführten Cysteinen führt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Photodynamik des Wildtyps, der Doppelmutante und der stabilisierten G90D-Mutante (Mutationen G90D, N2C und D282C) sowohl auf einer ultrakurzen Zeitskala als auch auf einer Minutenskala untersucht.
In den letzten 20 Jahren haben sich zunehmend Schülerlabore an Universitäten und Forschungszentren etabliert, um naturwissenschaftliche Kompetenzen von Schülern/innen aufzubauen und zu fördern. Das wachsende Feld der Schülerlaborforschung zeigt allerdings auf, dass die Eingangsvoraussetzungen, mit denen die Schüler/innen an der naturwissenschaftlichen Lernumgebung teilnehmen, einen starken Einfluss auf die Annahme sowie die Entwicklung von interessens-, selbstkonzept- und motivationsbezogenen Persönlichkeitsmerkmalen haben können. Diese Erkenntnisse lenken den Blick auf die Entwicklungsumwelt der Familien, in der die Eltern von Geburt an auf die kindliche Persönlichkeitsentwicklung und Lernprozesse einwirken. Die Integration des vielversprechenden familiären Kontexts in eine naturwissenschaftliche Lernumgebung wird seit 2008 anhand des Eltern-Kind-Projekts KEMIE® an der Ruhr-Universität Bochum umgesetzt, indem Eltern-Kind-Paare gemeinsam an alltagsnahen naturwissenschaftlichen Phänomenen experimentieren. Seit 2016 wird KEMIE® zudem an der Goethe-Universität Frankfurt am Main im Goethe-Schülerlabor Chemie durchgeführt.
Am Beispiel des Frankfurter KEMIE®-Projekts will die vorliegende Arbeit das Potential von Eltern-Kind-Interaktionen für naturwissenschaftliche Lernprozesse untersuchen. Mithilfe der Grounded-Theory-Methodologie wurde das zentrale Forschungsdesiderat der Eltern-Kind-Interaktion über die Projektjahre 2016/17 und 2017/18 herausgestellt sowie mögliche Erhebungsmethoden pilotiert. Im Projektjahr 2018/19 konnte dieses schließlich in einer Mixed-Methods-Studie multiperspektivisch beforscht werden. Dafür wurden Interviews, Beobachtungen und Pre-Posttest-Daten von 46 teilnehmenden Eltern-Kind-Paaren sowie weitere Kontrollgruppendaten von 202 Frankfurter Familien erhoben.
Um zunächst die naturwissenschaftliche Lernumgebung zu beschreiben, wurden die vorherrschenden Einflussfaktoren identifiziert, die zugehörigen Phänomene beschrieben sowie die prozess- und personenbezogenen Verhaltensmuster herausgestellt. Über letztere können die Eltern-Kind-Interaktionen in das SELE-Modell elterlicher Unterstützungsmaßnahmen eingeordnet werden, wobei sich das Ermöglichen von Selbsttätigkeit als herausragendes Merkmal für die naturwissenschaftliche Lernumgebung manifestiert. Zudem zeigt sich, dass das Projekt positive Effekte auf naturwissenschaftsbezogene Werteorientierungen der Kinder sowie deren Interesse an den Naturwissenschaften hat.
Anhand der Entwicklung eines induktiven Beobachtungsschemas, konnten die Familien schließlich über die Verhaltensmerkmale der Eltern-Kind-Interaktion gruppiert und Zusammenhänge zu sowohl den Vorbedingungen als auch den Konsequenzen für die psychischen Dispositionen der Kinder aufgedeckt werden. Erste Erkenntnisse dieser explorativen Erhebung zeigen, dass das akademische Selbstkonzept und die naturwissenschaftsbezogenen Werteorientierungen der Eltern und Kinder die Verhaltensmuster in der naturwissenschaftlichen Umgebung determinieren. Auf der anderen Seite können die Kinder gerade hinsichtlich dieser beiden Faktoren am meisten profitieren. Dabei können diese positiven Effekte auf eine Regulation seitens der Eltern, das gemeinsame Ausführen von Tätigkeiten sowie den Einbezug in die Gestaltung der Lernumgebung zurückgeführt werden.
Es wird das Mikrowellenspektrum von Fluorwasserstoffassoziaten im X-und K-Band bei -70 °C und 0,01 Torr gemessen und analysiert. Dazu wird ein erstelltes Frequenzprogramm für den asymmetrischen Kreisel verwendet, sowie ein Extrapolationsprogramm, das eine in der Literatur angegebene druck-und temperaturabhängige Verteilung der Fluorwasserstoffassoziate auf für Mikrowellenspektroskopie geeignete Drücke und Temperaturen umzurechnen erlaubt. Es zeigt sich, daß planare hexamere und heptamere Fluorwasserstoffassoziate vorliegen mit F-F-F-Winkeln von etwa 104° und H-F-Bindungslängen von 0,9997 Å bzw. 0,9640 Å. Die Längen der Wasserstoff brücken sind 1,4998 Å bzw. 1,6105 Å. Ein Vergleich der Bindungslängen zeigt, daß bei Anlagerung von H-F an (HF)6 eine Kontraktion der Fluorwasserstoffbindung um 3,5% und eine Dilatation der Wasserstoffbrückenbindung um 1% stattfindet. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit der oben erwähnten Assoziatverteilung, die eine Minderung der Kettenstabilität beim Übergang von hexamerer zu heptamerer Kette erwarten läßt.
Damit in der Schule die Vermittlung eines adäquaten Energieverständnisses gelingen kann, benötigt es eine Lehrkräfteausbildung, die dessen Herausforderungen in den Blick nimmt und die angehenden (Chemie-) Lehrerinnen und Lehrer aus fachwissenschaftlicher und didaktischer Perspektive vorbereitet. Denn in die Unterrichtsvorbereitung fließen neben bildungspolitischen und curricularen Vorgaben auch die Vorstellungen und Überzeugungen der Lehrkräfte mit ein. Zu den Herausforderungen, mit denen Lernende wie Lehrende konfrontiert sind, zählen die verschiedenen mentalen Repräsentationen zum Wort Energie aus Alltag und Naturwissenschaft, die zahlreichen chemischen Fachkontexte, in denen Energie bzw. Energiephänomene eine Rolle spielen, die unterschiedlichen Wissensnetze, die mit dem Begriff in den verschiedenen Naturwissenschaften verknüpft sind und der Einfluss der Fach- bzw. Alltagssprache.
Die (angehenden) Lehrkräfte fühlen sich auf diese Aufgabe oftmals fachlich nicht ausreichend vorbereitet. Um die Lehrkräfteausbildung in ihrem ersten Ausbildungsabschnitt auf die genannten Herausforderungen anzupassen und Lehrformate zu erweitern, benötigt es umfangreiche Kenntnisse über die mentalen Repräsentationen der Studierenden zur Energie sowie die damit verbundenen alternativen Konzepte zu schulrelevanten und lehrplanorientierten Themenschwerpunkten und die sprachlichen Besonderheiten. Die Vielschichtigkeit des Begriffs Energie erfordert eine ganzheitliche Betrachtung aller Aspekte, die es so bislang nicht gibt.
Aus diesem Grund ist es Ziel dieser Studie, die mentalen Repräsentationen der Studierenden, wie auch deren alternative Konzepte zu ausgewählten energiebezogenen Fachbegriffen aus den Bereichen chemische Bindungen, Thermodynamik und chemische Reaktionen zu erheben, in einen gemeinsamen fachlichen und sprachlichen Kontext zu setzen und daraus Rückschlüsse auf das Energieverständnis zu ziehen.
Im Sinne des Modells der didaktischen Rekonstruktion wird eine fachliche Klärung zum Untersuchungsgegenstand Energie durchgeführt. Für die Erhebung der empirischen Daten findet ein Rückgriff auf halbstandardisierte Leitfadeninterviews statt. Zielgruppe sind angehende Chemielehrkräfte, die mindestens im 5. Fachsemester Chemie für das Lehramt an Gymnasien studierten. Die Auswertung der Interviews erfolgt unter Rückgriff auf die qualitative Inhaltsanalyse nach Mayring und wird mit quantifizierenden Elementen trianguliert.
Die Studie zeigt die Erklärungsvielfalt des Begriffs Energie auf, denen sich die Studierenden bedienen. Dabei werden vor allem Beispiele einzelner Energiephänomene oder Energieformen herangezogen. In den verschiedenen Fachkontexten konnten diverse alternative Konzepte detektiert werden. Darüber hinaus konnten übergreifende Herausforderungen detektiert werden. Erkennen die Studierenden Widersprüche in ihrem Energieverständnis, wird Energie als abstrakt und schwer fassbar beschrieben. Zudem wird eine anthropozentrische Sicht eingenommen. Die angehenden Lehrkräfte neigen zu einer starken Kompartmentalisierung und begründen Wissenslücken mit der Zugehörigkeit zu anderen Fachwissenschaften. Eine weitere wichtige Erkenntnis aus der Studie ist, dass in den Fachwissenschaftlichen Veranstaltung die qualitativen Diskussionen angeregt werden müssen. Die zukünftigen Lehrerinnen und Lehrer bewegen sich in einem Spannungsverhältnis zwischen Fachwissenschaft und Didaktik und sind sich dessen sehr deutlich bewusst, indem sie bei Begriffsdefinitionen und Erklärungen die Anschaulichkeit der Exaktheit vorziehen. Es besteht die Notwendigkeit, Fachbegriffe in einem größeren Zusammenhang zu erläutern und die Studierenden zur Kommunikation darüber anzuregen.
Cyclophilins, or immunophilins, are proteins found in many organisms including bacteria, plants and humans. Most of them display peptidyl-prolyl cis-trans isomerase activity, and play roles as chaperones or in signal transduction. Here, we show that cyclophilin anaCyp40 from the cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120 is enzymatically active, and seems to be involved in general stress responses and in assembly of photosynthetic complexes. The protein is associated with the thylakoid membrane and interacts with phycobilisome and photosystem components. Knockdown of anacyp40 leads to growth defects under high-salt and high-light conditions, and reduced energy transfer from phycobilisomes to photosystems. Elucidation of the anaCyp40 crystal structure at 1.2-Å resolution reveals an N-terminal helical domain with similarity to PsbQ components of plant photosystem II, and a C-terminal cyclophilin domain with a substrate-binding site. The anaCyp40 structure is distinct from that of other multi-domain cyclophilins (such as Arabidopsis thaliana Cyp38), and presents features that are absent in single-domain cyclophilins.
Cyclic di-AMP is the only known essential second messenger in bacteria and archaea, regulating different proteins indispensable for numerous physiological processes. In particular, it controls various potassium and osmolyte transporters involved in osmoregulation. In Bacillus subtilis, the K+/H+ symporter KimA of the KUP family is inactivated by c-di-AMP. KimA sustains survival at potassium limitation at low external pH by mediating K+ ions uptake. However, at elevated intracellular K+ concentrations, further K+ accumulation would be toxic. In this study, we reveal the molecular basis of how c-di-AMP binding inhibits KimA. We report cryo-EM structures of KimA with bound c-di-AMP in detergent solution and reconstituted in amphipols. By combining structural data with functional assays and molecular dynamics simulations we reveal how c-di-AMP modulates transport. We show that an intracellular loop in the transmembrane domain interacts with c-di-AMP bound to the adjacent cytosolic domain. This reduces the mobility of transmembrane helices at the cytosolic side of the K+ binding site and therefore traps KimA in an inward-occluded conformation.
The evolution of cell-free protein synthesis (CFPS) over recent decades has made it a widely used system for expressing membrane proteins (MPs). Unlike traditional methods, CFPS allows direct and translocon-independent expression of MPs within lipid membranes, such as liposomes or nanodiscs (NDs), without the need for detergent solubilization. This open nature of CF systems enables customization of the experimental environment, including expression conditions, choice of nanoparticles (NPs), lipid composition, and addition of stabilizing molecules.
Membrane scaffold protein (MSP)-based NDs emerged as a gold standard for cotranslational solubilization of MPs using the CF-system. This approach allowed not only biochemical characterization, but also structural studies of MPs and even GPCRs. However, to solubilize MPs inside nanoparticles via the traditional reconstitution route, apart from MSPs other scaffolds were successfully implemented, e.g. the saposin A (commercially known as Salipro) scaffold system or the synthetic styrene maleic acid lipid particles (SMALPs). In this study the potential of saposin A-based nanoparticles (SapNPs) was explored for cotranslational MP solubilization.
Three strategies for applying SapNPs in CF systems were investigated: preassembly, (i) coassembly (ii), and coexpression (iii). (i) Preassembly involved forming SapNPs before CF expression and adding them to the CF reaction. In coassembly mode SapA and lipids were mixed in the CF reaction for spontaneous assembly with the synthesized MP. In coexpression mode lipids were added to the CF reaction while coexpressing SapA with the MP target. Proteorhodopsin (PR) served as a model protein to evaluate these strategies due to its ability to oligomerize and straightforward quantification using the cofactor retinal. Preassembled SapNPs provided homogeneous, aggregate-free particles yielding up to 200 µM solubilized PR inside in the CF reaction. Coassembly was also successfully applied to produce PR/SapNP complexes at slightly lower yields, however the system was prone to produce soluble aggregates at too high PR template concentrations and overall needed more adjustments. Coexpression resulted in PR yields below 20 µM and was not considered viable for MP production. Finally, the preassembled SapNPs were used to produce functional G-protein coupled receptor probes. Despite lower overall performance compared to MSP-based systems, SapNPs showed potential as an alternative in CF systems for specific MPs.
The second optimization approach was directed at the CF lysate itself. CF synthesis for NMR analysis benefits from selective labeling schemes enabled by truncated amino acid (AA) metabolic pathways in lysates, reducing spectral ambiguity. However, residual enzymatic AA conversions persist, leading to label dilution and ambiguous NMR spectra. This study aimed to eliminate these residual activities in the E. coli A19 strain, generating optimized CF lysates for NMR applications.
The approach involved cumulative gene deletions of the most problematic scrambling enzymes. The new strain, “Stablelabel,” included deletions and modifications in genes asnA, ansA, ansB, glnA, aspC, and ilvE, effectively eliminating background activities of L-Asn, L-Asp, and conversions of L-Glu to L-Asp and L-Gln. However, residual conversion of L-Gln to L-Glu persisted due to glutaminase activity of several glutaminases using the inhibitor 6 diazo-5-oxo-L-norleucine (DON). Stablelabel showed a slightly slower growth than A19, and an overall good performance with 2.7 mg/mL GFP expressed in the reaction mixture (RM) compared to the parental A19 strain with 3.5 mg/mL. Furthermore, the strain was successfully applied to demonstrate methyl group labeling of MPs using preconverted L-val and L-leu from their respective precursors 2-ketoisovalerate and 4-methyl-2-oxovalerate.
In this study, lipid nanoparticle particle-and strain engineering vividly demonstrated the potential of CFPS systems and their versatility. While the SapNP system requires further engineering to potentially reach the efficiency of the well-studied MSP NDs, this study provides an example of nanoparticle characterization allowing new insights into NP behavior in CF systems. Furthermore, it was shown that strain engineering is a straightforward solution to tailor CF lysates to the individual requirements. After this thesis was submitted, Stablelabel in fact was successfully applied for backbone assignment of casein kinase 1, thereby demonstrating its suitability to express complex targets for NMR studies.
We performed an X-ray crystallographic study of complexes of protein kinase PIM-1 with three inhibitors comprising an adenosine mimetic moiety, a linker, and a peptide-mimetic (d-Arg)6 fragment. Guided by the structural models, simplified chemical structures with a reduced number of polar groups and chiral centers were designed. The developed inhibitors retained low-nanomolar potency and possessed remarkable selectivity toward the PIM kinases. The new inhibitors were derivatized with biotin or fluorescent dye Cy5 and then applied for the detection of PIM kinases in biochemical solutions and in complex biological samples. The sandwich assay utilizing a PIM-2-selective detection antibody featured a low limit of quantification (44 pg of active recombinant PIM-2). Fluorescent probes were efficiently taken up by U2OS cells and showed a high extent of co-localization with PIM-1 fused with a fluorescent protein. Overall, the developed inhibitors and derivatives represent versatile chemical tools for studying PIM function in cellular systems in normal and disease physiology.
Copper perchlorophthalocyanine (CuPcCl16, CuC32N8Cl16, Pigment Green 7) is one of the commercially most important green pigments. The compound is a nanocrystalline fully insoluble powder. Its crystal structure was first addressed by electron diffraction in 1972 [Uyeda et al. (1972). J. Appl. Phys. 43, 5181–5189]. Despite the commercial importance of the compound, the crystal structure remained undetermined until now. Using a special vacuum sublimation technique, micron-sized crystals could be obtained. Three-dimensional electron diffraction (3D ED) data were collected in two ways: (i) in static geometry using a combined stage-tilt/beam-tilt collection scheme and (ii) in continuous rotation mode. Both types of data allowed the crystal structure to be solved by direct methods. The structure was refined kinematically with anisotropic displacement parameters for all atoms. Due to the pronounced crystal mosaicity, a dynamic refinement was not feasible. The unit-cell parameters were verified by Rietveld refinement from powder X-ray diffraction data. The crystal structure was validated by many-body dispersion density functional theory (DFT) calculations. CuPcCl16 crystallizes in the space group C2/m (Z = 2), with the molecules arranged in layers. The structure agrees with that proposed in 1972.
Extracellular signal-regulated kinase 3 (ERK3), known also as mitogen-activated protein kinase 6 (MAPK6), is an atypical member of MAPK kinase family, which has been poorly studied. Little is known regarding its function in biological processes, yet this atypical kinase has been suggested to play important roles in the migration and invasiveness of certain cancers. The lack of tools, such as a selective inhibitor, hampers the study of ERK3 biology. Here, we report the crystal structure of the kinase domain of this atypical MAPK kinase, providing molecular insights into its distinct ATP binding pocket compared to the classical MAPK ERK2, explaining differences in their inhibitor binding properties. Medium-scale small molecule screening identified a number of inhibitors, several of which unexpectedly exhibited remarkably high inhibitory potencies. The crystal structure of CLK1 in complex with CAF052, one of the most potent inhibitors identified for ERK3, revealed typical type-I binding mode of the inhibitor, which by structural comparison could likely be maintained in ERK3. Together with the presented structural insights, these diverse chemical scaffolds displaying both reversible and irreversible modes of action, will serve as a starting point for the development of selective inhibitors for ERK3, which will be beneficial for elucidating the important functions of this understudied kinase.
The single crystal growth of 19 different intermetallic compounds within the LnT2X2 family (with Ln = lanthanides, T = Co, Ru, Rh, Ir, and X = Si, P) is presented, by employing a high-temperature metal-flux technique. The habitus of the obtained crystals is platelet-like with the crystallographic c direction perpendicular to the surface and with individual masses between 1 and 100 mg. The magnetic properties of these crystals are characterized by magnetization, heat-capacity, and resistivity measurements. These crystals form the materials basis for a thorough study of exciting surface properties by angle-resolved photoemission spectroscopy.
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.
Precise control of blood clotting and rapid reversal of anticoagulation are essential in many clinical situations. We were successful in modifying a thrombin-binding aptamer with a red-light photocleavable linker derived from Cy7 by Cu-catalyzed Click chemistry. We were able to show that we can successfully deactivate the modified aptamer with red light (660 nm) even in human blood—restoring the blood's natural coagulation capability.
Medicinal plants represent a big reservoir for discovering new drugs against all kinds of diseases including inflammation. In spite the large number of promising anti-inflammatory plant extracts and isolated components, research on medicinal plants proves to be very difficult. Based on that background this review aims to provide a summarized insight into the hitherto known pharmacologically active concentrations, bioavailability, and clinical efficacy of boswellic acids, curcumin, quercetin and resveratrol. These examples have in common that the achieved plasma concentrations were found to be often far below the determined IC50 values in vitro. On the other hand demonstrated therapeutic effects suggest a necessity of rethinking our pharmacokinetic understanding. In this light this review discusses the value of plasma levels as pharmacokinetic surrogates in comparison to the more informative value of tissue concentrations. Furthermore the need for new methodological approaches is addressed like the application of combinatorial approaches for identifying and pharmacokinetic investigations of active multi-components. Also the physiological relevance of exemplary in vitro assays and absorption studies in cell-line based models is discussed. All these topics should be ideally considered to avoid inaccurate predictions for the efficacy of herbal components in vivo and to unlock the “black box” of herbal mixtures.
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.
Structural biology often employs a combination of experimental and computational approaches to unravel the structure-function paradigm of biological macromolecules. This thesis aims to approach this combination by the application of Pulsed Electron-Electron Double Resonance (PELDOR/DEER) spectroscopy and structural modelling. In this respect, PELDOR spectroscopy in combination with site-directed spin labelling (SDSL) of proteins is frequently used to gain distance restraints in the range from 1.8 to 8 nm. The inter-spin distance and the flexibility of the spin labelled protein domains are encoded in the oscillation and the dampening of the PELDOR signal. The intrinsic flexibility of the commonly used MTSSL (1-Oxyl-2,2,5,5-tetramethylpyrroline-3-methyl) spin label itself can be an obstacle for structural modelling if the flexibility of the label is large compared to the flexibility of the protein domains. In this thesis the investigation of two multi-domain proteins by the 4-pulse PELDOR sequence is presented. At first, the N-terminal polypeptide transport-associated (POTRA) domains of anaOmp85, a rigid three domain protein, giving well-defined PELDOR distance restraints, is investigated. The experimental restraints are used for structure refinement of the X-ray structure and reveal a strong impact of the intrinsic flexibility of MTSSL on the accuracy of structural refinement. The second example, K48-linked diubiquitin, is a highly flexible multi-domain protein on which the flexibility of MTSSL is of minor impact on structural modelling. In this case, the distance restraints are utilized to determine conformational ensembles. Due to the high intrinsic flexibility already characterizing diubiquitin the recently developed 7-pulse Carr-Purcell (CP) PELDOR sequence was applied to investigate longer ubiquitin chains. This sequence enables to measure dipolar oscillations with an extended time window, allowing a good separation between inter- and intramolecular contributions even for long distance and broad conformational distributions, thereby providing an increased accuracy of the obtained distance distributions.
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.
Alzheimer’s disease (AD) is the most prevalent neurodegenerative disease causing dementia and poses significant health risks to middle-aged and elderly people. Brain magnetic resonance imaging (MRI) is the most widely used diagnostic method for AD. However, it is challenging to collect sufficient brain imaging data with high-quality annotations. Weakly supervised learning (WSL) is a machine learning technique aimed at learning effective feature representation from limited or low-quality annotations. In this paper, we propose a WSL-based deep learning (DL) framework (ADGNET) consisting of a backbone network with an attention mechanism and a task network for simultaneous image classification and image reconstruction to identify and classify AD using limited annotations. The ADGNET achieves excellent performance based on six evaluation metrics (Kappa, sensitivity, specificity, precision, accuracy, F1-score) on two brain MRI datasets (2D MRI and 3D MRI data) using fine-tuning with only 20% of the labels from both datasets. The ADGNET has an F1-score of 99.61% and sensitivity is 99.69%, outperforming two state-of-the-art models (ResNext WSL and SimCLR). The proposed method represents a potential WSL-based computer-aided diagnosis method for AD in clinical practice.
This work deals with the theoretical investigation of the vibrationally promoted electronic resonance (VIPER) experiment, the intramolecular energy transfer within a rhodamine-BODIPY antenna system initiated by two-photon excitation and a computational study of the photochemical mechanism of the uncaging of the [7-(dimethylamino)coumarin-4-yl]methyl (DEACM) class of photocages . In continuation to Jan von Cosel’s work, the setup for the theoretical investigation of the VIPER experiment has been extended to two-photon absorption (TPA) also including the first-order Herzberg-Teller (HT) effects which are dependent on changes with respect to nuclear coordinates.
The VIPER experiment constitutes an extended form of two-dimensional infrared (2DIR) spectroscopy with a sequence of infrared (IR) and ultraviolet (UV) or visible (vis) pulses. The molecular system under probe is excited initially by a narrow-band IR pump pulse and then electronically excited by an off-resonant UV/vis pulse. An IR probe pulse is applied afterwards to probe the system and record a 2DIR spectrum in combination with the first pulse. Since the lifetime of the vibrational excitation is very short, the electronic excitation by the UV/vis pulse is used to enlarge the lifetime of the excitation in the molecule and thus enable measurements on a longer timescale. Therefore, it becomes easier to study dynamical photochemical processes on long timescales. In the VIPER experiment with TPA, the UV/vis pulse is replaced by a near-infrared (NIR) pulse which offers an intrinsic 3D resolution, minimzed photodamage, a lower noise level and an increased penetration depth. This makes TPA highly attractive for biological systems among a wide range of other possible applications.
The computation of the vibrationally resolved electronic absorption spectra accounts for the Franck-Condon (FC) contributions which are independent of the nuclear framework as well as the HT effects which are dependent on the nuclear coordinates. The FC contributions are dominant for electronically-allowed transitions whereas HT contributions could be important for weakly-allowed or forbidden transitions. Laying emphasis on TPA, the test systems used belong to the category of two-photon active compounds. The initial candidate is dimethylaminonitrodibenzofuran (DMA-NDBF) which has been reported to be a two-photon only caging compound. The other system is a well-known laser dye, a rhodamine derivative of the commercially available rhodamine 101 (Rh101). Rhodamines are also recognized for their excellent TPA characteristics.
The findings for both the test systems show interesting contrasts. The one-photon absorption (OPA) and TPA spectrum together with vibronic couplings present the same lineshape in case of DMA- NDBF and also the HT effects have very weak contributions to the vibronic spectrum. Insignificant HT effects are quite typical for electronically allowed transitions. Overall, the NO2 bending mode exhibits the strongest change in the absorption spectrum upon vibrational pre-excitation, even stronger than in the case of different ring distortion modes that usually show a high VIPER activity. In the case of rhodamine, the vibronic OPA spectrum is pre-dominantly the FC spectrum and the HT couplings have a very weak contribution. The vibronic TPA spectrum is entirely dominated by the HT contributions and hence, the vibrationally resolved TPA spectrum of the rhodamine is a HT-only spectrum. Explanations towards this behaviour have been reported by Milojevich et al. which are holding the change in symmetry of the molecular orbital transitions from the ground to the excited state accountable. No significantly VIPER-active normal modes could be determined owing to the low magnitudes of their dimensionless displacements that are connected to the Huang-Rhys factors. Two ring distortion modes however have been probed but the intensity of their vibrational pre-excitation is observed to be very low.
The other part of this work is concerned with the estimation of the rate of the intramolecular energy transfer within rhodamine-BODIPY dyads. After the investigations on the prospective rhodamine derivatives, the Rho101 derivative shows the highest TPA activity. This linked together with the BODIPY derivative with styryl substituents through an acetylene bond has been probed theoretically as well as experimentally for the excitation energy transfer (EET).
Time-resolved spectroscopic measurements reveal an ultrafast energy transfer process on femtosecond timescales. The theoretical estimation of the EET rates through the Förster theory and the determination of the coupling between the donor and acceptor groups by the transition density cube (TDC) method falls short of the experimental results. Because of this disagreement, quantum dynamics simulations with the multi-layer multi-configuration time-dependent Hartree (ML-MCTDH) method have been performed on an adapted rhodamine-BODIPY molecular dyad which reveal that the energy transfer occurs through transient coherence whose mechanism cannot be described by Förster theory ...
The retinoid X receptor (RXR) is a ligand-sensing transcription factor acting mainly as a universal heterodimer partner for other nuclear receptors. Despite presenting as a potential therapeutic target for cancer and neurodegeneration, adverse effects typically observed for RXR agonists, likely due to the lack of isoform selectivity, limit chemotherapeutic application of currently available RXR ligands. The three human RXR isoforms exhibit different expression patterns; however, they share high sequence similarity, presenting a major obstacle toward the development of subtype-selective ligands. Here, we report the discovery of the saturated fatty acid, palmitic acid, as an RXR ligand and disclose a uniform set of crystal structures of all three RXR isoforms in an active conformation induced by palmitic acid. A structural comparison revealed subtle differences among the RXR subtypes. We also observed an ability of palmitic acid as well as myristic acid and stearic acid to induce recruitment of steroid receptor co-activator 1 to the RXR ligand-binding domain with low micromolar potencies. With the high, millimolar endogenous concentrations of these highly abundant lipids, our results suggest their potential involvement in RXR signaling.
An approach for the comparison of pair distribution functions (PDFs) has been developed using a similarity measure based on cross-correlation functions. The PDF is very sensitive to changes in the local structure, i.e. small deviations in the structure can cause large signal shifts and significant discrepancies between the PDFs. Therefore, a comparison based on pointwise differences (e.g. R values and difference curves) may lead to the assumption that the investigated PDFs as well as the corresponding structural models are not in agreement at all, whereas a careful visual inspection of the investigated structural models and corresponding PDFs may reveal a relatively good match. To quantify the agreement of different PDFs for those cases an alternative approach is introduced: the similarity measure based on cross-correlation functions. In this paper, the power of this application of the similarity measure to the analysis of PDFs is highlighted. The similarity measure is compared with the classical Rwp values as representative of the comparison based on pointwise differences as well as with the Pearson product-moment correlation coefficient, using polymorph IV of barbituric acid as an example.
The FUBP1-FUSE complex is an essential component of a transcription molecular machinery that is necessary for tight regulation of expression of many key genes including c-Myc and p21. FUBP1 utilizes its four articulated KH modules, which function cooperatively, for FUSE nucleotide binding. To understand molecular mechanisms fundamental to the intermolecular interaction, we present a set of crystal structures, as well ssDNA-binding characterization of FUBP1 KH domains. All KH1-4 motifs were highly topologically conserved, and were able to interact with FUSE individually and independently. Nevertheless, differences in nucleotide binding properties among the four KH domains were evident, including higher nucleotide-binding potency for KH3 as well as diverse nucleotide sequence preferences. Variations in amino acid compositions at one side of the binding cleft responsible for nucleobase resulted in diverse shapes and electrostatic charge interaction, which might feasibly be a contributing factor for different nucleotide-binding propensities among KH1-4. Nonetheless, conservation of structure and nucleotide-binding property in all four KH motifs is essential for the cooperativity of multi KH modules present in FUBP1 towards nanomolar affinity for FUSE interaction. Comprehensive structural comparison and ssDNA binding characteristics of all four KH domains presented here provide molecular insights at a fundamental level that might be beneficial for elucidating the mechanisms of the FUBP1-FUSE interaction.
The hepatitis B virus is one of the most common causes of virus-related chronic liver disease and remains a major global health problem affecting 296 million people worldwide. Despite an available and highly effective vaccination, hepatitis B infections lead to an annual mortality rate of approximately 0.8 million people. The global prevalence is heterogeneously distributed and reflects a high infections and chronicity, particularly in low-income countries, due to a lack of vaccination strategies, underdiagnosis and low treatment rates. A complete cure remains undiscovered to this day. Based on their genetic makeup, the virus is categorized into nine genotypes with a genetic difference of more than 8% within the sequence. In addition to their geographical distribution, hepatitis B virus genotypes also differ in terms of their clinical outcome, pathogenesis and treatment response.
The viral protein HBx is known to interact with several cellular signaling pathways and is thereby accounted as the driving force in the development of hepatitis B virus-associated pathogenesis and progression of hepatocellular carcinoma. In particular, HBx interacts with mitochondria and induces profound alterations in the mitochondrial morphology and function with a severe impact on the liver’s physiology and with an emerging role in liver-related disease progression.
This study aims to investigate the genotype-related impact of HBx with regard to their interaction with cellular signaling pathways. A particular focus was placed on mitochondria-dependent interactions and signaling pathways in order to broaden the understanding of the genetic diversity of the genotypes.
Differences between genotypes of HBx were examined and compared through in vitro experiments based on a cell culture-based system. Plasmid DNA encoding the HBx protein of the different genotypes was transiently transfected into Huh7 or HepG2 cells and examined for molecular and protein-biochemical effects on the host cell, usually 72 hours after transfection. This study focused on the most common genotypes A, B, C, D, E and G worldwide.
Based on initial kinome profiling analyses, it was found that HBx differs greatly within their genetic variants and suggests different effects on overall cell function and in particular on mitochondrial kinases. Furthermore, confocal laser scanning microscopy reveals profound HBx-mediated changes in the mitochondrial network structure, however with major differences among the different genotypes. In particular, HBx of genotypes A and G causes enormous fragmentation of mitochondrial structures, accompanied by emergent changes in mitochondrial function. Due to an increased interaction with the voltage-dependent anion channel 3, a significant loss of mitochondrial membrane potential was also observed, together with an increased radial oxygen stress level and an induction of central mitochondria-dependent inflammatory mediators. In contrast, the contribution of HBx-genotype B and E reveals only moderate effects in these regards. Using a pH-sensitive reporter system, HBx genotypes which previously indicated a strong distribution in the mitochondrial morphology and function, also showed an elevated mitophagy through the PINK1/Parkin-mediated pathway. This study provides direct evidence that HBx-mediated changes in host cell signaling pathways, especially in mitochondrial-associated pathways, fundamentally dependent on the different genotypes. In addition, the results also indicate an important role of HBx in the process of genotype-dependent liver pathogenesis and provide insight into the underlying cellular mechanisms and signaling pathways.
The structure and flexibility of RNA depends sensitively on the microenvironment. Using pulsed electron-electron double-resonance (PELDOR)/double electron-electron resonance (DEER) spectroscopy combined with advanced labeling techniques, we show that the structure of double-stranded RNA (dsRNA) changes upon internalization into Xenopus lævis oocytes. Compared to dilute solution, the dsRNA A-helix is more compact in cells. We recapitulate this compaction in a densely crowded protein solution. Atomic-resolution molecular dynamics simulations of dsRNA semi-quantitatively capture the compaction, and identify non-specific electrostatic interactions between proteins and dsRNA as a possible driver of this effect.
Riboswitch RNAs regulate gene expression by conformational changes induced by environmental conditions and specific ligand binding. The guanidine-II riboswitch is proposed to bind the small molecule guanidinium and to subsequently form a kissing loop interaction between the P1 and P2 hairpins. While an interaction was shown for isolated hairpins in crystallization and electron paramagnetic resonance experiments, an intrastrand kissing loop formation has not been demonstrated. Here, we report the first evidence of this interaction in cis in a ligand and Mg2+ dependent manner. Using single-molecule FRET spectroscopy and detailed structural information from coarse-grained simulations, we observe and characterize three interconvertible states representing an open and kissing loop conformation as well as a novel Mg2+ dependent state for the guanidine-II riboswitch from E. coli. The results further substantiate the proposed switching mechanism and provide detailed insight into the regulation mechanism for the guanidine-II riboswitch class. Combining single molecule experiments and coarse-grained simulations therefore provides a promising perspective in resolving the conformational changes induced by environmental conditions and to yield molecular insights into RNA regulation.
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.
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.
Dimerization of Taspase1 activates an intrinsic serine protease function that leads to the catalytic Thr234 residue, which allows to catalyze the consensus sequence Q−3X−2D−1⋅G1X2D3D4, present in Trithorax family members and TFIIA. Noteworthy, Taspase1 performs only a single hydrolytic step on substrate proteins, which makes it impossible to screen for inhibitors in a classical screening approach. Here, we report the development of an HTRF reporter assay that allowed the identification of an inhibitor, Closantel sodium, that inhibits Taspase1 in a noncovalent fashion (IC50 = 1.6 μM). The novel inhibitor interferes with the dimerization step and/or the intrinsic serine protease function of the proenzyme. Of interest, Taspase1 is required to activate the oncogenic functions of the leukemogenic AF4-MLL fusion protein and was shown in several studies to be overexpressed in many solid tumors. Therefore, the inhibitor may be useful for further validation of Taspase1 as a target for cancer therapy.
Cardiolipin, the mitochondria marker lipid, is crucially involved in stabilizing the inner mitochondrial membrane and is vital for the activity of mitochondrial proteins and protein complexes. Directly targeting cardiolipin by a chemical-biology approach and thereby altering the cellular concentration of “available” cardiolipin eventually allows to systematically study the dependence of cellular processes on cardiolipin availability. In the present study, physics-based coarse-grained free energy calculations allowed us to identify the physical and chemical properties indicative of cardiolipin selectivity and to apply these to screen a compound database for putative cardiolipin-binders. The membrane binding properties of the 22 most promising molecules identified in the in silico approach were screened in vitro, using model membrane systems finally resulting in the identification of a single molecule, CLiB (CardioLipin-Binder). CLiB clearly affects respiration of cardiolipin-containing intact bacterial cells as well as of isolated mitochondria. Thus, the structure and function of mitochondrial membranes and membrane proteins might be (indirectly) targeted and controlled by CLiB for basic research and, potentially, also for therapeutic purposes.
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.
This cumulative dissertation examines learning in chemistry laboratories, focusing on the challenges and benefits of problem-based learning (PBL) for novices in the lab. It addresses the lack of consistent understanding about what should be learned in labs and why it's important. The research aims to understand what students learn, how they learn, and how lab learning can be improved.
A central concept in PBL labs is Information Literacy, defined as a sociocultural practice enabling learners to identify and use information sources within a specific context as legitimized by the practice community.
The first publication, Wellhöfer and Lühken (2022a), investigates the relationship between PBL and learner motivation. It identifies factors that can foster students' intrinsic motivation in a PBL lab. Autonomy is found to be a key factor, increasing student motivation and presenting a model of the autonomous scientific process. This model involves four steps: information acquisition, designing and applying experimental procedures, experimental feedback, and autonomous process optimization. The results suggest that intrinsic motivation in PBL labs can be enhanced by enabling students to independently execute these steps.
The second publication, Wellhöfer and Lühken (2022b), examines the information process students undergo during their first PBL lab. Using a sociocultural framework, it explores Information Literacy to understand students' handling of information and their perceptions of the information process. The findings reveal that in PBL labs, developing a practical, applicable experimental procedure is crucial for problem-solving and significantly shapes the information-acquisition process. This process is iterative, influenced by new information, leading to more precise information needs. Students assess information quality based on its usefulness for their problem, implementability (considering cognitive understanding, available equipment, and psychomotor skills), and safety.
Furthermore, the role of privileged knowledge forms in evaluating the quality of text sources is explored. Students viewed non-scientific sources as "poor" and scientific sources as "good," yet used both for information gathering. There were discrepancies between their assessment of source quality and actual use, indicating that perception of source quality doesn't always affect their practical decisions.
The third publication, Wellhöfer, Machleid, and Lühken (2023), investigates students' information practices in the lab, focusing on discourse between novice learners and experienced assistants. It shows that theoretical knowledge isn't sufficient for independent practical action, and students need actionable social information from experienced community members. The results highlight that information literacy in the lab for newcomers to a community of practice has distinctive features, and physical experience and tacit knowledge are crucial for learning the methods and group-specific knowledge of the practice community. The article demonstrates how learning information literacy in a practice community requires a social and physical experience and provides insights on how educators can support this process.
Large international airports were identified as sources of ultrafine particles (UFPs) (Hu et al., 2009; Yu et al., 2012; Hsu et al., 2013; Keuken et al., 2015; Hudda and Fruin, 2016). Since September 2017 UFP emissions originating from the Frankfurt International Airport, Germany are monitored by the Hessian Agency for Nature Conservation, Environment and Geology (HLNUG) showing elevated UFP concentrations during airport operating hours (05:00–23:00 CET) (Ditas et al., 2022). Referring to that, the organic chemical composition of aviation-related UFPs emerging from the Frankfurt Airport was analysed by performing a comprehensive non-target screening of UFP filter samples.
Aluminium-filter samples were collected at an air quality monitoring station 4 km north of the Frankfurt Airport, using a 13-stage impactor system (Nano-MOUDI). The chemical
characterization of UFPs in the size range of 10-18 nm, 18-32 nm and 32-56 nm was accomplished by ultra-high-performance liquid chromatography, heated electrospray ionisation and mass analysis using an Orbitrap high-resolution mass spectrometer. Non-target screening revealed that the majority of detected compounds belong to homologous series of two different types of organic esters, which are base stocks of aircraft lubrication oils.
In reference to five different jet engine lubrication oils of various manufacturers, the corresponding lubricant base stocks and their additives, two amines and one organophosphate, were identified in the UFPs by the use of matching retention time, exact mass and MS/MS fragmentation pattern of single organic molecules. The quantitative analysis of the jet engine oil constituents in the aviation-related UFPs with diameters < 56 nm was accomplished by standard addition. By characterizing the Nano-MOUDI, loss factors for each size stage were determined and used for correction accordingly. Particle-number size distribution measurements, conducted parallel to the filter sampling, enabled the determination of the jet engine oil contribution to the UFP mass.
Furthermore, the nucleation and particle formation potential of a commonly used synthetic jet engine lubrication oil was investigated in the laboratory. Thermodenuder experiments at 20 °C and 300 °C were carried out to monitor the gas-to-particle partitioning behaviour of jet engine oils. At 300 °C a significantly higher number of particles with a mean diameter of ~10 nm are formed, leading to a more than fivefold increase in total particle numbers compared to 20 °C. Particle diameters of the newly formed oil particles in the laboratory experiment appeared in the same size region as UFPs emerging from Frankfurt Airport. Particles originating from the Frankfurt city centre direction showed larger diameters.
Results indicate that aircraft emissions strongly influence the total mass of 10-18 nm particles. The jet oil fraction decreases for bigger particles (e.g., 18-56 nm), implying that these oils form new particles in the cooling exhaust gases of aircraft engines. In addition, non-target screening and in vitro bioassays on aviation-related PM2.5 filter samples were combined to provide indications for potential toxicologically relevant compounds in dependence of different wind directions and airport operations. Most recently, the applied non-target screening method was also used to identify seasonal variations in the organic aerosol composition in Beijing.
Die humane 5-LO ist das Schlüsselenzym in der LT-Biosynthese. LTs sind wichtige Entzündungsmediatoren und sind in einer Vielzahl von Krankheiten involviert, u. a. Asthma, Atherosklerose, rheumatische Arthritis, Sepsis, allergischen Reaktionen und in vielen Krebsarten. Die Struktur der 5-LO besteht aus 673 Aminosäuren und besitzt ein Molekulargewicht von 78 kDa. Sie ist in zwei Domänen unterteilt: die kleinere C2-ähnliche regulatorische Domäne (C2ld) und der größeren katalytischen Domäne. Die 5-LO besitzt NIS und NES, die für die zelluläre Lokalisation der 5-LO verantwortlich sind. Außerdem wird die Lokalisation noch von Phosphorylierungsstellen reguliert, die auf der katalytischen Domäne identifiziert werden konnten. 2011 konnten Häfner et al. zeigen, dass die 5-LO in der Lage ist Homodimere zu bilden.
Wie für die meisten anderen humanen Gene konnten auch bei der 5-LO alternative Spleißvarianten identifiziert werden. Schon 1992 konnten die ersten unterschiedlich gesüleißten Transkripte in Hirntumoren und differenzierten HL-60-Zellen gefunden werden. Später konnten weitere Isoformen in verschiedenen Zelllinien entdeckt werden.
In der vorliegenden Arbeit wurden die alternativen Spleißvarianten 5-LO∆13, 5-LO∆4 und 5-LOp12 untersucht und charakterisiert. Auf mRNA-Ebene wurde die Expression des 5-LO-WT und deren Isoformen sowohl in B- und T-Zelllinien als auch primären B- und T-Zellen, monozytären Zelllinien und primäre Monozyten aus Patientenproben (RA und Sepsis) untersucht. Es wurde festgestellt, dass das Expressionsprofil der 5-LO-Varianten zellspezifisch ist. Im Vergleich zu den T-Zellen konnte in B-Zelllinien ein höheres Expressionslevel detektiert werden. Des Weiteren zeigte sich interessanterweise ein stark erhöhtes Expressionslevel in primären Monozyten von RA- und Sepsis-Patienten.
Untersuchungen der 5-LO-Aktivität ergaben unterschiedliche Ergebnisse, abhängig von der Transfektionsmethode. Als transiente Transfektion diente die Calciumphosphat-Methode. Für die stabile Integration der HEK293T-Zellen wurde die Sleeping Beauty-Methode gewählt. Hierfür wurden Proteine mit einem GFP bzw. mCherry-Tag (GFP-5-LO-WT, mCherry∆13, mCherry∆4, mCherryp12) verwendet, um diese mittels Konfokalmikroskop visualisieren zu können. Nach transienter Transfektion konnte eine Inhibition der 5-LO-Aktivität nach Kotransfektion mit jeweils einer Isoform gemessen werden. Nach stabiler Integration jedoch zeigte sich eine Steigerung der 5-LO-Produktbildung. Mit Hilfe von Western Blots wurden Expressionskontrollen angefertigt und die Menge des 5-LO-WT quantifiziert. In transient transfizierten Zellen wurde eine Erniedrigung der Expression des 5-LO-WT bestimmt, wohingegen in stabil integrierten Zellen ein Anstieg des 5-LO-WT als auch der Isoformen beobachtet werden konnte. Einerseits könnte dies einem Artefakt der Transfektionmethode zugrunde liegen, andererseits könnte es ein Hinweis darauf sein, dass sich die Proteine gegenseitig in ihrer Expression beeinflussen.
Ebenso wurde die Lokalisation der 5-LO und deren Isoformen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die 5-LO überwiegend im Zellkern lokalisiert ist, während alle alternativen Protein-Isoformen im Zytosol zu finden waren. Durch Ionophor-Behandlung wurde eine Translokation des 5-LO-WT an die Kernmembran detektiert, die Isoformen verblieben im Zytosol. Überraschenderweise konnte beobachtet werden, dass die Spleißvariante 5-LO∆13 mit höherer Ionophor-Konzentration ebenso in der Lage ist an die Kernmembran zu translozieren. Um eine mögliche Interaktion der 5-LO mit den Isoformen zu untersuchen, sollten alle Proteine im selben Zellkompartiment lokalisiert sein. Dafür wurden verschiedene Stimuli und Mutationen getestet. Mit der Mutante GFP-5-LO-S271A und dem Stressstimulus Sorbitol und den CaMKII/p38-Inhibotoren KN-93/SB203580 konnte eine Translokation in das Zytosol erreicht werden. Die Ergebnisse der anschließenden Aktivitätsassays zeigten, dass die Isoformen keinen Einfluss auf die Aktivität der 5-LO ausüben.
Des Weiteren wurden die Phosphorylierungen an S523 und S271 von 5-LO-WT, 5-LO∆13, 5-LO∆4 und 5-LOp12 untersucht. Es wurde herausgefunden, dass die 5-LO-Proteine unterschiedliche Phosphorylierungsmuster aufweisen. Während 5-LO-WT und 5-LO∆4 eine schwache Phosphorylierung an S271 aufzeigen, konnte eine starke Phosphorylierung der 5-LO∆13 und 5-LOp12 detektiert werden. Im Vergleich dazu zeigte lediglich die Isoform 5-LOp12 eine sehr starke Bande an der Phosphorylierungsstelle S523. Bei beiden Phosphorylierungen konnten deutlich stärkere Signale nach Kotransfektion gemessen werden. Durch Klonierung eines P2A-Linkers zwischen 5-LO und des GFP-Tags, konnten die Isoformen vom 5-LO-WT in Western Blots voneinander getrennt werden. Dies zeigte, dass es zu einer Hochregulation der Expression der alternativen 5-LO-Varianten nach Kotransfektion mit dem WT führte, aber auch, dass die stärkere Phosphorylierung nach Kotransfektion unabhängig von der Proteinmenge ist.
Während hohe Spiegel von reaktiven Sauerstoffspezies (reactive oxygen species, ROS) in Form von oxidativem Stress schädliche Auswirkungen auf den Körper haben können, zeigen aktuelle Forschungsarbeiten, dass Redox-Modifikationen an Thiolresten von Proteinen reversible Signalprozesse steuern können. Dieses Prinzip der posttranslationalen Proteinmodifikation durch Redox-Signale scheint auch bei der Verarbeitung und Chronifizierung von Schmerzen von Bedeutung zu sein. Über die potenziellen Redox-modulierten Zielstrukturen im nozizeptiven System ist jedoch bisher nur wenig bekannt.
Ein potentielles Redoxtarget im nozizeptiven System ist das kleine EF-Hand Ca2+-bindende Protein S100A4. Wie die anderen Familienmitglieder der S100-Proteinfamilie enthält S100A4 Cysteinreste, die in der Lage sind, redoxabhängig modifiziert zu werden. Studien an menschlichen Biopsien nach Gehirnverletzungen und an Mäusen in Verletzungsmodellen konnten zeigen, dass S100A4 neuroprotektiv wirkt. Darüber hinaus kann S100A4 sezerniert werden und vermittelt extrazellulär insbesondere regulatorische Funktionen innerhalb der Angiogenese, bei der Zellmigration sowie bei zellulären Differenzierungsprozessen. Die Funktionen von S100A4 im nozizeptiven System sind jedoch weitgehend unbekannt. In Vorarbeiten zu diesem Projekt wurde in einem Proteom-Screen beobachtet, dass S100A4 nach einer peripheren Nervenverletzung redoxabhängig im verletzten Nervengewebe hochreguliert wird. Darauf basierend wurde im Rahmen dieser Arbeit die Lokalisation von S100A4 innerhalb des nozizeptiven Systems sowie die funktionelle Bedeutung nach peripherer Nervenverletzung genauer untersucht.
Anhand von Immunfluoreszenzaufnahmen konnte gezeigt werden, dass S100A4 basal in Subpopulationen Peripherin- und NF200-positiver sensorischer Neurone lokalisiert ist. Interessanterweise führt eine Nervenverletzung nicht nur zu einer deutlichen Steigerung der S100A4-Expression im Bereich der Verletzungsstelle, sondern auch zu einer Änderung des neuronalen Verteilungsmusters. Die funktionelle Bedeutung von S100A4 für die Verarbeitung von Schmerzen wurde anhand von Verhaltenstests an Mäusen näher charakterisiert. Dafür wurden gewebsspezifische S100A4 Knockout Mäuse (Adv-S100A4-/-) und globale S100A4 Knockout Mäuse (S100A4-/-) generiert. In Modellen der akuten Nozizeption zeigten sowohl Adv-S100A4-/- als auch S100A4-/- Mäuse eine normale Reaktion auf thermische und mechanische Stimuli. Im „Spared Nerve Injury“ (SNI) Modell für periphere Neuropathien zeigten die S100A4-/- Mäuse eine im Vergleich zu wildtypischen (WT) Mäusen signifikant reduzierte mechanische Hyperalgesie, während bei den gewebsspezifischen Adv-S100A4-/- Mäusen kein verändertes Schmerzverhalten beobachtet werden konnte. Im „Crush Injury“ Modell für periphere Neuropathien war die mechanische Hyperalgesie der S100A4-/- Mäuse im Vergleich zu WT Tieren jedoch nicht verändert. Zusätzlich zur mechanischen Hyperalgesie wurden auch weitere Methoden der Quantifizierung des Schmerzverhaltens (Sciatic Functional Index, Brush Test und Wühlverhalten) etabliert. Allerdings war auch hier das Verhalten der S100A4-/- Mäuse mit dem der WT Mäuse vergleichbar. Darüber hinaus war das durch Applikation eines ROS-Donors induzierte nozizeptive Verhalten von S100A4-/- und WT Mäusen ähnlich. Man kann daher schlussfolgern, dass nach einer peripheren Nervenverletzung die S100A4-Expression insbesondere im Bereich der Verletzungsstelle hochreguliert wird. Dem gegenüber scheint S100A4 jedoch für die Schmerzverarbeitung funktionell nur von untergeordneter Bedeutung zu sein.
Ein weiteres potentielles Redoxtarget im nozizeptiven System ist die lösliche Epoxidhydrolase (soluble epoxide hydrolase, sEH). Die funktionelle Bedeutung von sEH für die Schmerzverarbeitung wurde bereits in früheren Studien belegt, da eine Behandlung mit sEH-Inhibitoren bei Ratten zu einer reduzierten Hypersensitivität in inflammatorischen und neuropathischen Schmerzmodellen führte. Während die analgetische Wirkung von sEH-Inhibitoren bereits gut bekannt ist, wurde eine redoxabhängige Modulation der sEH-Aktivität im nozizeptiven System in bisherigen Forschungsarbeiten kaum untersucht. Bestimmte Elektrophile können die sEH inhibieren, indem sie an das redoxaktive Cystein an Position 521 der sEH binden. Forschungsarbeiten konnten in diesem Zusammenhang bereits zeigen, dass die Cys521-vermittelte Inhibition von sEH durch das Prostaglandin 15d-PGJ2 oder 9-/10-Nitrooleonsäure (NO2-OA) im kardiovaskulären System zu einer Dilatation der Koronargefäße und einer Reduktion des Blutdrucks führt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob es durch eine redoxabhängige Hemmung der sEH-Funktion auch innerhalb des nozizeptiven Systems zu einer veränderten Schmerzreaktion bei Mäusen kommt. Um diese Fragestellung beantworten zu können, wurden sEH-Knockin (sEH-KI) Mäuse verwendet, deren redox-sensitives Cystein 521 durch ein Serin ersetzt wurde. Bei diesen Knockin-Mäusen können Elektrophile wie 15d-PGJ2 oder 9-/10-NO2-OA keine Enzyminhibition erzeugen. Die Charakterisierung der sEH-KI Mäuse zeigte sowohl in akuten als auch inflammatorischen Schmerzmodellen (Formalin Test und Zymosan-Pfotenentzündungsmodell) keinen Zusammenhang der Redoxmodifikation mit dem Schmerzverhalten der Mäuse. Auch in neuropathischen und viszeralen Schmerzmodellen (SNI-Modell und Modell der Zymosan-induzierten Peritonitis) konnte kein verändertes Schmerzverhalten der sEH-KI-Mäuse im Vergleich zu Kontrolltieren beobachtet werden. Darüber hinaus war das nozizpetive Verhalten nach Applikation von 15d-PGJ2 bei sEH-KI und WT Mäusen vergleichbar. Die redoxabhängige Modulation der sEH an Cystein 521 scheint demnach, im Gegensatz zum kardiovaskulären System, im nozizeptiven System keine Rolle zu spielen.
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.
Verschiedene physikalische Effekte erlauben es Licht so zu führen und zu verändern, dass es Einblicke in für Menschen sonst unzugängliche Bereiche gewährt. Eines von insgesamt drei Elementen dieser Dissertationsschrift ist der Aufbau eines Multiphotonen-Mikroskops. Dieses fortschrittliche Werkzeug erweitert das zur Verfügung stehende Instrumentarium um verschiedene Analysemethoden, allen voran die 2-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskopie. Durch geringfügige Modifikationen können auch weitere Methoden, wie beispielsweise stimulierte Raman-Streuung realisiert werden.
Insbesondere die 2-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskopie war für das zweite Element dieser Dissertationsschrift von großer Bedeutung. In dieser Studie wurde das Bleichverhalten von Spinach bei 2-Photonen-Absorption untersucht, sowohl an frei in Lösung befindlichen als auch auf einem Träger immobilisierten Spinach-Komplexen. Die Ergebnisse zu den frei in Lösung befindlichen Spinach-Komplexen zeigen, dass die Verstärkung der Fluoreszenz von DFHBI grundsätzlich auch im Fall der 2-Photonen-Absorption eintritt. Dabei wurde ein Ausbleichen der 2-Photonen-induzierten Fluoreszenz für frei in Lösung befindliche Spinach-Komplexe erst bei außerordentlich hohen Intensitäten der Anregungsstrahlung beobachtet. Dieser Befund kann zumindest teilweise auf das Eindiffundieren fluoreszenter Spinach-Komplexe in das sehr kleine Fokalvolumen innerhalb der 2-Photonen-Anregung stattfindet zurückgeführt werden. Für immobilisierte Spinach-Komplexe konnte gezeigt werden, dass eine kontinuierliche Bildaufnahme gegenüber einer Bildaufnahme in Intervallen mit jeweils zusätzlichen Dunkelphasen zur Erholung des reversiblen Bleichens der 2-Photonen-induzierten Fluoreszenz, sowie der generelle Verzicht auf spezielle Belichtungsschemata und Methoden der Datenakquise mit keinen besonderen Nachteilen verbunden ist. Abschließend betrachtet erweist sich Spinach bei 2-Photonen-Anregung als ausgesprochen resistent gegenüber einem irreversiblem Ausbleichen des Fluoreszenzsignals.
Als drittes Element dieser Dissertationsschrift wurde die Dynamik von Chrimson, einem Kanalrhodopsin mit rot-verschobener Absorption mittels zeitaufgelöster Spektroskopie im sichtbaren Spektralbereich untersucht. Sowohl die Anregungswellenlänge als auch der pH-Wert bzw. der Protonierungszustand des Gegenions haben einen messbaren Einfluss auf die Primärreaktion. Diese verlangsamt sich, sobald der pH-Wert abgesenkt oder die Anregungswellenlänge rot-verschoben wird. Darüber hinaus führt eine Rot-Verschiebung der Anregungswellenlänge zu einer geringeren Effizienz der Isomerisation des Retinal-Chromophors. Die Primärreaktion von Chrimson entspricht dabei einem Reaktionsmodell mit einer Verzweigung des Reaktionspfades auf der Energiehyperfläche des angeregten Zustandes. Ein Reaktionspfad führt dabei durch ein lokales Minimum, welches in seiner Ausprägung stark von der elektrostatischen Umgebung des Retinal-Chromophors abhängt. Je nach ursprünglichem Protonierungszustand des Gegenions der Retinal-Schiff-Base wurden große Unterschiede hinsichtlich der beobachteten transienten Absorptionsmuster für den im Anschluss von Chrimson durchlaufenen Photozyklus gefunden. Bei pH 6,0 weist der Photozyklus von Chrimson eine insgesamt deutlich schnellere Kinetik auf, als es für den Photozyklus bei pH 9,5 beobachtet wurde. Es ist bemerkenswert, dass in elektrophysiologischen Messungen für beide Photozyklen eine Öffnung des Ionenkanals gefunden wurde. Die Kanalfunktion von Chrimson ist somit grundsätzlich nicht vom Protonierungszustand des Gegenions abhängig, wenngleich die Kinetik des Ionenkanals durchaus davon beeinflusst wird. Dies deutet auf Unterschiede in den Wechselwirkungen zwischen dem Ionenkanal und dem Gegenion der Retinal-Schiff-Base hin.
Mit 71 Millionen chronisch erkrankten Patienten im Jahr 2015 stellt die chronische Hepatitis C-Virusinfektion eine wichtige Ursache für Zirrhose, Leberdekompensation und Leberkrebs dar.
Eine grundlegende Eigenschaft des Hepatitis C-Virus (HCV) ist die Biogenese modifizierter intrazellulärer Membranen. Das dabei aus dem endoplasmatischen Reticulum (ER) gebildete, sogenannte membranöse Netz (MW, membranous web) dient im Rahmen des HCV-Lebenszyklus als Gerüst für die Assemblierung eines Multi-Protein-Replikase-Komplexes. Das MW wird durch virale nicht-strukturelle Proteine wie NS5A induziert.
Das Multidomänen-Metalloprotein NS5A ist über seine verschiedenen Domänen sowohl bei der Replikation am MW als auch bei der viralen Assemblierung und Freisetzung in der Nähe von Lipidtropfen (LD, lipid droplet) maßgeblich beteiligt. Seine N-terminale amphipathische Helix (AH) spielt dabei über die vermittelte Assoziation von NS5A mit Membranen eine wichtige Rolle. Damit verbundene spezifische Lipidinteraktionen von NS5A unterliegen molekularen Umstrukturierungen, die benötigt werden, um NS5A für seine
verschiedenen Aufgaben im viralen Lebenszyklus anzupassen. Es liegen zwar Röntgen-strukturmodelle von Domäne 1-Dimeren und NMR-Strukturen zur AH vor, allerdings keine experimentellen Strukturen des NS5A-Proteins vollständiger Länge (NS5A fl) in seinem natürlichen Lipidmilieu. Trotz der essentiellen Bedeutung von NS5A für den HCV-Lebens-zyklus und langjähriger Forschung ist bisher nur wenig zur molekularen Funktionsweise von NS5A bekannt.
Dennoch konnten durch Screening hochpotente NS5A-Inhibitoren entdeckt und weiterentwickelt werden. NS5A-Inhibitoren tragen als direkt wirkende antivirale Arzneimittel(DAA, direct-acting antiviral) entscheidend zum Therapieerfolg bei der Behandlung der Hepatitis C bei. Trotz ihrer Bedeutung in der Therapie und intensiver Forschung ist der Wirk-mechanismus von NS5A-Inhibitoren bisher ungeklärt. Eine durch NS5A-Inhibitoren
induzierte intrazelluläre Umverteilung von NS5A und das ausschließliche Auftreten von Resistenz-assoziierten Mutationen (RAM) nahe der NS5A-Lipid-Interaktionsbereiche weisen jedoch auf einen Effekt der Inhibitoren auf die Lipid-NS5A-Interaktion hin.
Als grundlegende Hypothese dieser Arbeit wurde somit vermutet, dass abhängig vom NS5A umgebenden Lipidmilieu (MW oder LD) spezifische Lipid-Protein-Interaktionen Einfluss auf die Struktur und Funktion von NS5A nehmen und NS5A-Inhibitoren über eine Inhibition dieser Interaktionen wirken. Polyphosphoinositide (PPI) könnten dabei als Lipidinteraktionspartner eine besondere Rolle spielen, da sie bedeutend für die Membran-Kennzeichnung verschiedener Zellkompartimente sind und auch die Funktion von Membranproteinen regulieren können. Eine Interaktion von NS5A mit PtdIns(4,5)P2 wurde bereits publiziert.
Um basierend auf der postulierten Hypothese die mechanistischen Details im Wechselspiel von NS5A und intrazellulären Membranen sowie den dabei möglichen Effekt von
NS5A-Inhibitoren zu untersuchen, musste zunächst NS5A in ausreichender Menge, Reinheit und Qualität rekombinant hergestellt werden. Hierfür wurde ein entsprechendes Protokoll zur Proteinexpression durch Baculovirus-vermittelte Expression in Sf9-Insektenzellen und Strep-Tactin-Reinigung für das full length Protein und trunkierte Varianten etabliert.
In Kooperation mit einem Partner konnte unter Verwendung von giant unilamellar vesicles (GUVs) und konfokaler Mikroskopie gezeigt werden, dass unser full length Protein die Struktur von Membranen verändert (Membran-Remodellierung).
Die Stabilität des gereinigten Proteins und damit Effekte auf die Proteinfaltung wurden mittels Thermal shift assay (TSA) untersucht und dabei auch Effekte des NS5A-Inhibitors
Daclatasvir (DCV) und des Metall-Chelators EDTA überprüft. Die Bindung des Inhibitors hatte einen stabilisierenden Effekt auf die Proteinstruktur zur Folge.
Potentielle Interaktionsmuster mit Membranlipiden wurden mit Hilfe eines Protein lipid overlay assays (PLOA) detektiert. Zusätzlich zum in der Literatur bereits beschriebenen
Interaktionspartner PtdIns(4,5)P2 konnten weitere Lipid-Bindungspartner für NS5A identifiziert werden. Dabei legen die gewonnenen Daten nahe, dass die Interaktion über die Domäne 1 von NS5A vermittelt wird, wobei die Domänen 2 und 3 die Affinität zu den Lipidbindungspartnern erhöht, aber nicht das Phospholipid-Bindungsmuster verändert.
DCV hatte im PLOA keine qualitativen Auswirkungen auf das Lipid-Bindungsmuster. Die Lipidinteraktionen wurden mittels eines Liposomen-Rekonstitutionsmodells validiert.
In silico konnten basierend auf verfügbaren, experimentellen Strukturdaten und einem dynamischen Modell drei Cluster basischer Aminosäuren in NS5A-D1-AH als mögliche
PPI-Bindungsstellen identifiziert werden. Basierend auf dem Strukturmodell wurde eine Mutationsstrategie zur Charakterisierung der potentiellen PPI-Bindungsstellen entwickelt.
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Throughout their life cells of eukaryotic organisms can be confronted with a variety of proteotoxic stresses and in order to survive, corresponding resistance mechanisms had to evolve. Proteotoxic stresses can cause misfolding of proteins and accumulation of toxic protein aggregates. Failure to remove aggregates of misfolded proteins compromises cellular function and can ultimately cause cell death and disease. To deal with this challenge, cells utilize a complex network of protein quality control pathways, including chaperones, the ubiquitin-proteasome system and the autophagy system.
Another mechanism to cope with proteotoxic stresses is the stalling of translation initiation in order to save valuable resources and prevent faulty translation. Upon stress, intrinsically disordered RNA-binding proteins such as TIA-1 or G3BP1/2 are recruited to stalled preinitiation complexes and a network of multivalent interactions between RNAs and proteins is formed. These mRNP networks can merge with each other and phase separate into membraneless liquid-like structures called stress granules (SGs). Once stress is released, SGs are quickly resolved and translation continues. Yet, chronic stress or mutations of SG-associated proteins can cause persistent SGs, which can sequester misfolded proteins and have been linked to neurodegenerative diseases such as amyotrophic lateral sclerosis or frontotemporal dementia.
In mammalian cells, three isoforms of the small ubiquitin-related modifier (SUMO), SUMO1, SUMO2 and SUMO3 are covalently attached to lysine residues of target proteins. SUMO conjugation is catalyzed via an enzymatic cascade of an heteromeric E1 activating enzyme, the E2 conjugating enzyme Ubc9 and in some cases one of a limited number of E3 SUMO ligases. SUMOylation is a dynamic modification and can be reversed by SUMO isopeptidases, the best characterized of which belong to the SENP family. Cellular stresses such as heat or oxidative stress strongly induce SUMOylation resulting in increased numbers of poly-SUMOylation (formation of SUMO2/3 chains) on nuclear proteins.
The SUMO-targeted ubiquitin ligase (STUbL) RNF4 harbors four SUMO interaction motifs in its N-terminal domain. This feature allows RNF4 to specifically bind poly-SUMOylated proteins and catalyze their proteolytic or non-proteolytic ubiquitylation.
A variety of substrate proteins have been shown to undergo SUMO-primed ubiquitylation by RNF4 in response to stress or DNA damage. RNF4-mediated ubiquitylation is often a signal for proteolytic degradation of these substrates.
In this work we aimed by identify novel RNF4 targets, in heat-stressed cells in order to gain a wider understanding of the nuclear proteotoxic stress response. Analysis by mass spectrometry revealed that a large fraction of RNF4-interacting proteins in heatstressed cells are nuclear RNA-binding proteins, many of which shuttle outside the nucleus and associate with SGs upon stress. We validated, that nuclear RNA-binding proteins, such as TDP-43 and hnRNP M are indeed heat-induced targets of SUMOprimed ubiquitylation by RNF4.
These initial results led us to further investigate the links between the SUMO/RNF4-mediated, nuclear protein quality control and the dynamics of cytosolic heat- or arsenite-induced SGs. SUMO2/3 and RNF4 are mainly nuclear proteins and we confirmed that they do not associate with SGs. Yet, we could demonstrate that depletion of SUMO2/3, the E3 SUMO ligase PML or RNF4 as well as chemical inhibition of SUMOylation strongly delayed SG clearance upon stress release, indicating that a functional STUbL pathway is essential for the timely clearance of SGs.
Next, we investigated how stress-induced poly-SUMOylation is regulated. Our data shows that SENP levels and activities are reduced in response to heat and arsenite stress, which allows the buildup of poly-SUMO chains on nuclear proteins. Limitation of poly-SUMOylation by overexpression of the SUMO chain-specific isopeptidases SENP6 and SENP7 induced SG formation. In contrast, poly-SUMO-priming by chemical depletion of SENP6 with the drug hinokiflavone drastically limited SG formation upon stress treatment. These results indicate a clear role of chain-specific SENPs in the regulation of stress-induced poly-SUMOylation and SG dynamics.
Last, we investigated whether the STUbL pathway could affect the phase separation of FUSP525 (an ALS-linked mutant of the SG-associated protein FUS) and observed that perturbations of the STUbL pathway lead to an increased phase separation of FUSP525L.
Thus, our work connects the SUMO/RNF4 protein quality control mechanism to the dynamics of SGs supporting the hypothesis that release of proteotoxic stress in the nucleus facilitates the clearance of cytosolic SGs. Thereby, we discovered a previously unknown link between the nuclear and cytosolic axis of proteotoxic stress response.
Interferon-stimulated gene-15 (ISG15) is an interferon-induced protein with two ubiquitin-like (Ubl) domains linked by a short peptide chain, and the conjugated protein of the ISGylation system. Similar to ubiquitin and other Ubls, ISG15 is ligated to its target proteins with a series of E1, E2, and E3 enzymes known as Uba7, Ube2L6/UbcH8, and HERC5, respectively. Ube2L6/UbcH8 plays a literal central role in ISGylation, underscoring it as an important drug target for boosting innate antiviral immunity. Depending on the type of conjugated protein and the ultimate target protein, E2 enzymes have been shown to function as monomers, dimers, or both. UbcH8 has been crystalized in both monomeric and dimeric forms, but the functional state is unclear. Here, we used a combined approach of small-angle X-ray scattering (SAXS) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to characterize UbcH8′s oligomeric state in solution. SAXS revealed a dimeric UbcH8 structure that could be dissociated when fused with an N-terminal glutathione S-transferase molecule. NMR spectroscopy validated the presence of a concentration-dependent monomer-dimer equilibrium and suggested a backside dimerization interface. Chemical shift perturbation and peak intensity analysis further suggest dimer-induced conformational dynamics at ISG15 and E3 interfaces - providing hypotheses for the protein′s functional mechanisms. Our study highlights the power of combining NMR and SAXS techniques in providing structural information about proteins in solution.
Interferon-stimulated gene-15 (ISG15) is an interferon-induced protein with two ubiquitin-like (Ubl) domains linked by a short peptide chain, and the conjugated protein of the ISGylation system. Similar to ubiquitin and other Ubls, ISG15 is ligated to its target proteins with a series of E1, E2, and E3 enzymes known as Uba7, Ube2L6/UbcH8, and HERC5, respectively. Ube2L6/UbcH8 plays a literal central role in ISGylation, underscoring it as an important drug target for boosting innate antiviral immunity. Depending on the type of conjugated protein and the ultimate target protein, E2 enzymes have been shown to function as monomers, dimers, or both. UbcH8 has been crystalized in both monomeric and dimeric forms, but the functional state is unclear. Here, we used a combined approach of small-angle X-ray scattering (SAXS) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to characterize UbcH8’s oligomeric state in solution. SAXS revealed a dimeric UbcH8 structure that could be dissociated when fused with an N-terminal glutathione S-transferase molecule. NMR spectroscopy validated the presence of a concentration-dependent monomer-dimer equilibrium and suggested a backside dimerization interface. Chemical shift perturbation and peak intensity analysis further suggest dimer-induced conformational dynamics at ISG15 and E3 interfaces - providing hypotheses for the protein’s functional mechanisms. Our study highlights the power of combining NMR and SAXS techniques in providing structural information about proteins in solution.
Interferon-stimulated gene-15 (ISG15) is an interferon-induced protein with two ubiquitin-like (Ubl) domains linked by a short peptide chain, and the conjugated protein of the ISGylation system. Similar to ubiquitin and other Ubls, ISG15 is ligated to its target proteins with a series of E1, E2, and E3 enzymes known as Uba7, Ube2L6/UbcH8, and HERC5, respectively. Ube2L6/UbcH8 plays a literal central role in ISGylation, underscoring it as an important drug target for boosting innate antiviral immunity. Depending on the type of conjugated protein and the ultimate target protein, E2 enzymes have been shown to function as monomers, dimers, or both. UbcH8 has been crystalized in both monomeric and dimeric forms, but the functional state is unclear. Here, we used a combined approach of small-angle X-ray scattering (SAXS) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to characterize UbcH8’s oligomeric state in solution. SAXS revealed a dimeric UbcH8 structure that could be dissociated when fused with an N-terminal glutathione S-transferase molecule. NMR spectroscopy validated the presence of a concentration-dependent monomer-dimer equilibrium and suggested a backside dimerization interface. Chemical shift perturbation and peak intensity analysis further suggest dimer-induced conformational dynamics at ISG15 and E3 interfaces - providing hypotheses for the protein’s functional mechanisms. Our study highlights the power of combining NMR and SAXS techniques in providing structural information about proteins in solution.
Interferon-stimulated gene-15 (ISG15) is an interferon-induced protein with two ubiquitin-like (Ubl) domains linked by a short peptide chain, and the conjugated protein of the ISGylation system. Similar to ubiquitin and other Ubls, ISG15 is ligated to its target proteins with a series of E1, E2, and E3 enzymes known as Uba7, Ube2L6/UbcH8, and HERC5, respectively. Ube2L6/UbcH8 plays a literal central role in ISGylation, underscoring it as an important drug target for boosting innate antiviral immunity. Depending on the type of conjugated protein and the ultimate target protein, E2 enzymes have been shown to function as monomers, dimers, or both. UbcH8 has been crystalized in both monomeric and dimeric forms, but the functional state is unclear. Here, we used a combined approach of small-angle X-ray scattering (SAXS) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to characterize UbcH8’s oligomeric state in solution. SAXS revealed a dimeric UbcH8 structure that could be dissociated when fused with an N-terminal glutathione S-transferase molecule. NMR spectroscopy validated the presence of a concentration-dependent monomer-dimer equilibrium and suggested a backside dimerization interface. Chemical shift perturbation and peak intensity analysis further suggest dimer-induced conformational dynamics at ISG15 and E3 interfaces - providing hypotheses for the protein’s functional mechanisms. Our study highlights the power of combining NMR and SAXS techniques in providing structural information about proteins in solution.