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An essential part of the animal survival strategy comprises the ability to control body movement and coordinate long-term navigational strategies, in order to maintain locomotion towards a nutrition source and stay in its vicinity. In the nematode Caenorhabditis elegans (C. elegans) this function is carried out by neuronal circuits, that vary their activity in response to diverse environmental condition.
This comprises different classes of neurons, acting together in a sensory, signaling and modulatory system to control body posture and induce behavioral responses. For this reason, one particular goal in the field of neuroscience research is to elucidate the mechanisms of how neuronal circuits integrate multiple sensory cues to navigate the environment. Aim of this study was to analyze the function of a neuronal network comprising the interneurons AVK, as well as the identification of signaling molecules, controlling body posture during food related locomotory behavior. This should be achieved by establishing optogenetic approaches, which provide a non inversive and temporally precise control of neuronal activity and drives the activation or silencing of individual neurons, to alter the neuronal basis of behavior. Animals exposed to food perform a dwelling-like behavior, characterized by a slowing of locomotion with a reduced crawling distance and an irregular movement, accompanied by a high frequency of pauses, reversals and directional changes. Upon food-removal, they initiate a local-search behavior with the same behavioral characteristics, but with a more pronounced sinusoidal movement. After a prolonged period of unsuccessful food finding, animals exhibited long runs with reduced pauses, reversals and turnings, increasing their maximal covered distance, indicated as dispersal behavior. Acute photoinhibition of AVK neurons, mediated by cell-specific expression of halorhodopsin (NpHR) caused the animals to perform a dwelling-like locomotory state with increased bending angles, as seen during local-search behavior. Thus, food-induced behavioral effects are mimicked by the optogenetic manipulation of AVK interneurons.
In this study, signaling molecules were ascertained by cell specific mRNA profiling of AVK neurons, mediating these behavioral responses. It was able to demonstrate, that flp-1, coding for a FMRFamidelike neuropeptide, is one of the genes with the highest distribution in AVK. In the absence of food, AVK neurons continuously release the FMRFamide-like neuropeptide FLP-1 to inhibit a subset of target motoneurons, leading the animals to maintain a low body curvature to promote dispersing behavior.
Conversely, if AVK was inhibited by NpHR or the presence of food, less FLP-1 was secreted to the body fluid, indicated by reduced intracellular fluorescence levels of mCherry-tagged FLP-1 proteins in the scavenger cells. The search of a FLP-1 receptor was successful by in vitro investigation on G protein-coupled receptors (GPCRs) and neuropeptide ligands, revealing NPR-6 to be activated by FLP-1 neuropeptides, but with a low potency. Expression pattern of the NPR-6 receptor indicated receptor localization in in the VC ventral cord and SMB head motoneurons, as well as in a subset of other neurons required for chemosensation and feeding. AVK interneurons are highly coupled to SMB head motoneurons, forming electrical synapses composed of the gap junction protein subunits UNC-7 and UNC-9. Elimination of SMB or gap junction genes using cell ablation and RNA interference, respectively, phenocopied effects of AVK inhibition on bending angles. Furthermore, this study was able to demonstrate that these neurons get inhibited during FLP-1 transmission to the NPR-6 receptor, which was required to mediate AVK effects on crawling behavior. Consequently, photoinhibition of AVK caused disinhibition of VC and SMB neurons, in order to enhance sinusoidal movement and to induce a local-search related locomotory behavior.
Thereby, FLP-1 neuropeptide transmission is the preferred used signaling pathway over direct gap junction coupling. Additional neuropeptides and receptors were identified to be essential downstream to AVK neurons to mediate effects on body curvature and locomotory behavior as well. The high-potency FRPR-7 receptor was shown to mediate FLP-1 peptide effects on undulatory motion during swimming in a liquid environment, rather than crawling locomotion on a solid surface. This result suggests that the receptor NPR-6 is required for FLP-1 peptide effects on bending and crawling locomotion, whereas conversely the receptor FRPR-7 is addressed by FLP-1 peptides to exclusively regulate swimming behavior. The FRPR-7 receptor is expressed in the AIM and NSM motoneurons, which are suggested to be the primary neuronal candidates mediating swimming behavior. Furthermore, this study provides evidence, that FRPR-7 acts in the DVC interneuron to control spontaneous reversal behavior, most probably by inhibitory FLP-1 signaling from the AVK neurons. Among other neuropeptides, the FMRFamide-like peptide FLP-26 binds with higher affinity to NPR-6 receptors than FLP-1 peptides. FLP-26 peptides are expressed in the SMB motoneurons, where they are able to further potentiate FLP-1 inhibitory effects by simultaneous binding to NPR-6.
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Rhabdomyosarcoma (RMS) is the most frequent pediatric soft-tissue sarcoma comprising two major subtypes – the alveolar and the embryonal rhabdomyosarcoma. The current therapeutic regime is multimodal including surgery, radiation and chemotherapy with cytostatic drugs. Although the prognosis for RMS patients has steadily improved to a 5-year overall survival rate of 70% for ERMS and 50% for ARMS, prognosis for subgroups with primary metastases or relapsed patients is still less than 25%, highlighting the need for development of new therapies for these subgroups. Since cancer cells are addicted to their cancer promoting transcriptional program, remodeling transcription by targeting bromodomain and extraterminal (BET) proteins has emerged as compelling anticancer strategy. However, in many cancer types BET inhibition was proved cytostatic but not cytotoxic emphasizing the need for combination protocols.
In this study we identify a novel synergistic interaction of the BET inhibitor JQ1 with p110α-isoform-specific Phosphoinositid-3-Kinase (PI3K) inhibitor BYL719 (Alpelisib) to induce mitochondrial apoptosis and global reallocation of BRD4 to chromatin. At first, we showed that JQ1 single treatment had cytostatic effects at nanomolar concentrations and inhibited MYC and Hedgehog (Hh) signaling in RMS known to promote proliferation of RMS. However, JQ1 single treatment barely induced cell death in RMS cells even at concentrations of up to 20 µM (< 20% cell death). Thus, we next tested combination approaches to elicit cell death. Since we previously identified synergistic cell death induction of Hh inhibition and PI3K inhibition in RMS cells we tested JQ1 in combination with the pan-PI3K/mTOR inhibitor PI-103 and the p110α-isoform-specific PI3K inhibitor BYL719. In addition, we tested JQ1 in combination with distinct HDAC inhibitors namely JNJ-26481585, SAHA (Vorinostat), MS-275 (Entinostat) and LBH-589 (Panobinostat) since the synergistic interaction of BET and HDAC inhibition has previously been described for other tumor entities.
Interestingly the synergism of cell death induction of JQ1/BYL719 co-treatment is superior to the synergism of JQ1 with pan-PI3K/mTOR inhibitor PI-103 or the tested HDAC inhibitors as confirmed by calculation of combination index. To investigate the molecular mechanisms underlying the synergy of JQ1/BYL719 co-treatment, we performed RNA-Seq and BRD4 ChIP-Seq experiments. RNA-Seq exhibited, that JQ1/BYL719 co-treatment shifted the overall balance of BCL-2 family gene expression towards apoptosis and increased gene expression of proapoptotic BMF, BCL2L11 (BIM) and PMAIP1 (NOXA) while decreasing gene expression of antiapoptotic BCL2L1 (BCL xL). These changes were verified by qRT-PCR and Western blot. Notably, BRD4 is phosphorylated upon JQ1/BYL719 co-treatment and globally reallocates BRD4 to chromatin. This BRD4 reallocation includes enrichment of BRD4 at the super-enhancer site of BMF, at the super-enhancer, typical enhancer and promoter regions of BCL2L11 (BIM) and at the PMAIP1 (NOXA) promoter, while JQ1 alone, as expected, reduces global chromatin binding of BRD4. Integration of RNA-Seq and BRD4 ChIP-Seq data underlines the transcriptional relevance of reallocated BRD4 upon JQ1/BYL719 co-treatment. Immunopreciptation studies showed, that RMS cells are initially primed to undergo mitochondrial apoptosis since BIM is constitutively bound to antiapoptotic BCL-2, BCL xL and MCL-1. JQ1/BYL719 co-treatment increased BIM expression and its neutralization of antiapoptotic BCL-2, BCL-xL and MCL-1 thereby rebalancing the ratio of pro- and antiapoptotic BCL-2 proteins in favor of apoptosis. This promotes activation of BAK and BAX resulting in caspase-dependent apoptosis. The functional relevance of proapoptotic re-balancing for the execution of JQ1/BYL719-mediated apoptosis was confirmed by individual silencing of BMF, BIM, NOXA or overexpression of BCL-2 or MCL-1, which all significantly rescued JQ1/BYL719-induced cell death. Execution of cell death by mitochondrial caspase-dependent apoptosis was veryfied by individual knockdown of BAK and BAX or caspase inhibitor N-Benzyloxycarbonyl-Val-Ala-Asp(O-Me) fluoromethylketone (zVAD.fmk), which all significantly rescued JQ1/BYL719-induced cell death.
In summary, combined BET and PI3Kα inhibition cooperatively induces mitochondrial apoptosis by proapoptotic re-balancing of BCL-2 family proteins accompanied by reallocation of BRD4 to transcriptional regulatory elements of BH3-only proteins.
Die Plasmamembran eukaryotischer Zellen dient als Barriere zwischen dem Inneren einer Zelle und ihrer Umgebung. Eine wichtige Aufgabe von Proteinen, die sich in der Plasmamembran befinden, besteht in der Erkennung der Umgebung, der Übermittlung dieser Informationen über die Plasmamembran in das Innere einer Zelle und der Einleitung einer zellulären Antwort. Membranrezeptoren binden Liganden, was zu ihrer Aktivierung und der Rekrutierung von intrazellulären Proteinen führt. Funktionelle Signalkomplexe werden gebildet und leiten einen Informationstransfer durch die Zellmembran ein, so dass die Expression bestimmter Gene stimuliert oder unterdrückt wird. Eine Störung der Signalinitiierung und -übertragung tritt bei vielen Krankheiten auf, so dass Membranproteine ein wichtiges Ziel in der Medikamentenentwicklung sind.
In dieser Arbeit wird die Fragestellung bearbeitet, wie der Tumornekrosefaktor-Rezeptor 1 (TNFR1) in funktionelle Komplexe in der Plasmamembran einer intakten Zelle organisiert ist. TNFR1 besitzt vier cysteinreiche Domänen (CRDs) in seiner extrazellulären Region. Die erste und von der Plasmamembran am weitesten entfernte CRD ist die Pre-Ligand Assembly Domain (PLAD). Kristallstrukturen zeigten, dass sich in einem TNFR1-Dimer zwei PLAD in unmittelbarer Nähe befinden. Crosslinking-Experimente berichteten über mehrere oligomere Zustände von TNFR1; die Ergebnisse unterschieden sich nach Art und Konzentration des Crosslinkers. In der nativen Umgebung einer intakten Zelle wurde der oligomere Zustand von TNFR1 bisher nicht bestimmt. Der kanonische Ligand für TNFR1 ist der Tumornekrosefaktor alpha (TNF), ein Homotrimer, welches in löslicher oder membrangebundener Form vorliegt. Nach der Bindung von TNF an TNFR1 bilden sich Rezeptortrimere. Diese Proteinkomplexe rekrutieren intrazellulär Proteine und bilden einen funktionellen Membrankomplex, der intrazelluläre Signalkaskaden aktiviert. Die kanonische Signalweiterleitung erfolgt durch den nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B-cells (NF-B), welcher Zellteilung oder Entzündung induziert. TNFR1 kann auch andere Signalwege wie beispielsweise Apoptose durch einen zytosolischen Komplex und die Procaspase-8, oder Nekroptose durch das Nekrosom und die mixed lineage kinase domain-like (MLKL)-Domäne einleiten. Die Dysregulation von TNFR1 ist bei einer Vielzahl von Krankheiten zu finden. Erhöhte TNFR1-Expressiosraten treten bei acquired immune deficiency syndrome (AIDS), multipler Sklerose und verschiedenen Krebsarten auf.
In einem zweiten Projekt wurde in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Michael Lanzer (Heidelberg, Germany) der Expressionsgrad des Proteins VAR2CSA in membranassoziierten knobs bestimmt, welche in Erythrozyten vorkommen, die mit dem Parasiten Plasmodium falciparum infizierten wurden. VAR2CSA gehört zur Proteinfamilie des Plasmodium falciparum erythrocyte membrane protein 1 (pfEMP1). Nach einer Infektion wird VAR2CSA zur Wirtszellmembran transportiert und in knobs eingelagert. Patienten, die Sichelzellenanämie-Erythrozyten (HbAS) aufweisen, sind im Gegensatz zu Patienten mit gesunden Erythrozyten (HbAA) immun gegen Malaria. Während die beiden Erythrozytentypen eine unterschiedliche Morphologie der knobs aufweisen, blieb ihre Zusammensetzung in Bezug auf VAR2CSA bisher ungeklärt.
Das Verständnis der Proteinfunktion erfordert eine Beschreibung der molekularen Organisation funktioneller Einheiten in der zellulären Umgebung. Hierfür ist die Fluoreszenzmikroskopie eine geeignete Methode, da sie eine gezielte Markierung von Zielproteinen ermöglicht. Die hohe Sensitivität ermöglicht die Visualisierung einzelner Proteine. Eine Einschränkung in der konventionellen Fluoreszenzmikroskopie ist die Auflösungsgrenze. Strukturelle Elemente, die kleiner als etwa die halbe Anregungswellenlänge sind (für die meisten Anwendungen 200 bis 300 nm) können nicht aufgelöst werden. Die Entwicklung der hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie ermöglichte es, diese Auflösungsgrenze zu umgehen und eine räumliche Auflösung von wenigen Nanometern zu erreichen, was die Visualisierung und Charakterisierung einzelner Proteinkomplexe ermöglichte. Eine Art der hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie ist die single-molecule localization microscopy (SMLM), die auf der Detektion einzelner Fluorophore, einer genauen Bestimmung ihrer Position (Lokalisation) und der Erzeugung eines rekonstruierten Bildes unterhalb der optischen Auflösungsgrenze basiert. Da die meisten Proben in der Fluoreszenzmikroskopie eine zu hohe räumliche Dichte an Fluorophoren aufweisen, um den Nachweis von einzelnen Fluorophoren zu ermöglichen, werden Verfahren zur Kontrolle der Emission von Fluorophoren eingesetzt. Eine Möglichkeit ist der Einsatz von Fluorophoren, die optisch zwischen einem nicht-fluoreszierenden und einem fluoreszierenden Zustand geschaltet werden können, z.B. photoschaltbare fluoreszierende Proteine in photoactivated localization microscopy (PALM) oder organische Farbstoffe in (direct) stochastic optical reconstruction microscopy ((d)STORM). SMLM erreicht eine räumliche Auflösung von 20 nm, was in den meisten Fällen ausreicht, um einzelne Proteinkomplexe in einer Zelle aufzulösen. Diese räumliche Auflösung ist jedoch nicht ausreichend, um Untereinheiten innerhalb eines Proteinkomplexes zu visualisieren. Zu diesem Zweck wurde SMLM erweitert und die verfügbare kinetische Information genutzt, die bei der Detektion einzelner Fluorophore ausgelesen wird. Viele Fluorophore weisen metastabile Dunkelzustände auf, die eine Lebensdauer von bis zu Sekunden aufweisen. Diese Übergänge erscheinen als "Blinken" der Fluoreszenzemission. In Kombination mit kinetischen Modellen kann aus der Anzahl an Blink-Ereignissen die Anzahl der Fluorophore ermittelt werden. Angewendet auf hochaufgelöste Proteinkomplexe kann die Auflösungsgrenze von hochauflösender Mikroskopie umgangen werden, und die Anzahl der Protein-Untereinheiten in einem hochaufgelösten Proteincluster ermittelt werden. Hierzu wird beispielsweise das photoschaltbare fluoreszierende Protein mEos2 an ein Zielprotein funsioniert (quantitative PALM (qPALM)).
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Electron microscopy (EM) demarcates itself from other structural biology techniques by its applicability to a large range of biological objects that spans from whole cells to individual macromolecules. In single-particle cryo-EM, frozen-hydrated samples, prepared by vitrification with liquid ethane, retain macromolecules in a medium that approximates their natural aqueous environment and that, in this way, preserves high-resolution structural information. Nonetheless, the sensitivity of biological specimens to the high-energy electron beam introduces restrictions on the total dose that can be used during imaging while avoiding significant radiation damage. Consequently, the signal-to-noise ratio attained in each individual image is very low, and structures with high-resolution detail must be recovered by averaging thousands of projections in random orientations. This is achieved through the use of image processing algorithms capable of aligning and classifying particle images through the evaluation of cross-correlation functions between each particle and a reference.
In recent years, several innovations took place in the field of single-particle cryo-EM, among which the development of direct electron detectors must be highlighted. Direct electron detectors have a better detective quantum efficiency (DQE) than both photographic film and CCD cameras, and offer a fast readout, compatible with the acquisition of movie stacks. Additionally, new image processing software has become available, with more sophisticated algorithms and designed to take advantage of the specific characteristics of the movies produced with direct electron detectors. These technological advances in both hardware and software catalyzed a revolution in single-particle cryo-EM, which is now routinely used for the determination of near-atomic structures. As a result, the range of macromolecules accessible to cryo-EM has increased drastically, as targets that were unsuitable before for imaging due to their small dimensions can now be adequately visualized and refined to high-resolution.
During my doctoral work, I have used single-particle cryo-EM to structurally characterize challenging membrane proteins, with a strong emphasis on protein complexes from aerobic respiratory chains. In chapter I of this thesis, I present my results on the bovine respirasome, a mitochondrial supercomplex composed of complexes I, III and IV. Chapter II is dedicated to the analysis of the structure of alternative complex III (ACIII) from Rhodothermus marinus, a bacterial quinol:cytochrome c/HiPIP oxidoreductase unrelated to the canonical cytochrome bc1 complex (complex III). In addition, in chapter III I describe the structure of KimA, a high-affinity potassium transporter that drives the transport of its substrate by using the energy stored in the form of a proton gradient. These three membrane proteins, with molecular weights ranging from 140 kDa to 1.7 MDa, illustrate the possibilities and limitations faced in single-particle cryo-EM.
The aerobic respiratory chain is responsible for the generation of a transmembrane difference of electrochemical potential that is then used by ATP synthase for the production of ATP or for driving solute transport over the membrane. They catalyze the transfer of electrons from a substrate, such as NADH or succinate, to molecular oxygen and use the chemical energy released in these redox reactions to drive the translocation of protons, or in some cases sodium ions, to the intermembrane space in mitochondria or the periplasm in bacteria.
In mitochondria, the respiratory chain is composed of four complexes: complex I (NADH:ubiquinone oxidoreductase), complex II (succinate dehydrogenase), complex III (cytochrome bc1 complex) and complex IV (cytochrome c oxidase). While it was for a long time believed that these complexes existed as single entities in the membrane, the use of milder procedures for protein purification and analysis revealed that respiratory complexes associate into well-ordered structures, known as supercomplexes. These have been proposed to offer different structural and functional advantages that are still controversial, including substrate channeling, stabilization of individual complexes and reduction of reactive oxygen species (ROS) production. The most thoroughly studied respiratory supercomplex has been the respirasome, conserved in higher eukaryotes and composed of one copy of complex I, a complex III dimer and one complex IV. By single-particle cryo-EM analysis, I retrieved a 9 Å map of the respirasome from Bos taurus, which allowed the accurate docking of atomic models of the three component complexes. The structure shows that complex III associates to the concave side of the membrane arm of complex I, while complex IV is located between the end of the complex I hydrophobic arm and complex III. Several defined protein-protein contacts are observed between the component complexes, which are mediated predominantly by supernumerary subunits and close to the membrane surfaces. The interactions established between complex I and complex III are extensive and may support the argument that the association of complex I into supercomplexes is required for the stabilization or even the biogenesis of this complex.
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Polyketide synthases (PKSs) are large megaenzymes that occur in bacteria, fungi, and plants and produce polyketides, a class of secondary metabolites. Many polyketide natural products exhibit high biological activities e.g. as antibiotics or anti-fungal compounds. The modular architecture of assembly line PKSs makes them exciting targets for engineering approaches via the exchange of whole modules or single domains. Although many engineering attempts have been pursued over the last three decades, the resulting chimeric PKSs often exhibit decreased turnover rates or diminished product yields.
In this thesis, new approaches to engineer chimeric PKSs were explored, each targeting a different aspect of the chimeric system: First the relative contribution of protein-protein and protein-substrate recognition on the turnover of chimeric PKS was assessed, revealing the importance of protein-protein interactions between the acyl carrier protein (ACP) and the ketosynthase (KS) domain in the chain translocation step. Directed evolution experiments followed to optimize the protein-protein interaction across a chimeric interface. Additionally, different junction sites for the generation of chimeric PKSs were compared, showing the ability for recombination without interfering with the chain translocation reaction, and highlighting the use of SYNZIP domains to bridge PKS modules. To optimize chimeric PKSs even further, multipoint mutagenesis of KS domains was established, with positive effects on the activity of chimeric systems.
To support engineering attempts, several structure elucidation techniques were combined with in silico modeling to characterize the architecture of a PKS module and the domain-domain interactions within it. Preliminary results show a strong conformational flexibility of the PKS module and the great potential of these techniques to define the multitude of transient interactions in PKS modules.
Transport mechanism of a multidrug resistance protein investigated by pulsed EPR spectroscopy
(2019)
In human several diseases result from malfunctions of ATP-binding cassette (ABC) systems, which form one of the largest transport system superfamily. Many ABC exporters contain asymmetric nucleotide-binding sites (NBSs) and some of them are inhibited by the transported substrate.1 For the active transport of diverse chemically substrates across biological membranes, ABC transport complexes use the energy of ATP binding and subsequent hydrolysis. In this thesis, the heterodimeric ABC exporter TmrAB2,3 from Thermus thermophilus, a functional homolog of the human antigen translocation complex TAP, was investigated by using pulsed electron-electron double resonance (PELDOR/DEER) spectroscopy. In the presence of ATP, TmrAB exists in an equilibrium between inward- and outward-facing conformations. This equilibrium can be modulated by changing the ATP concentration, showing asymmetric behaviour in the open-to-close equilibrium between the consensus and the degenerate NBSs. At the degenerate NBS the closed conformation is more preferred and closure of one of the NBSs is sufficient to open the periplasmic gate at the transmembrane domain (TMD).3 By determining the temperature dependence of this conformational equilibrium, the thermodynamics of the energy coupling during ATP-induced conformational changes in TmrAB were investigated. The results demonstrate that ATP-binding alone drives the global conformational switching to the outward-facing state and allows the determination of the entropy and enthalpy changes for this step. With this knowledge, the Gibbs free energy of this ATP induced transition was calculated. Furthermore, an excess of substrate, meaning trans-inhibition of the transporter is resulting mechanistically in a reverse transition from the outward-facing state to an occluded conformation predominantly.3 This work unravels the central role of the reversible conformational equilibrium in the function and regulation of an ABC exporter. For the first time it is shown that the conformational thermodynamics of a large membrane protein complex can be investigated. The presented experiments give new possibilities to investigate other related medically important transporters with asymmetric NBSs or other similar protein complexes.
Photolabile protecting groups are widely used to trigger oligonucleotide activity. The ON/OFF‐amplitude is a critical parameter. An experimental setup has been developed to identify protecting group derivatives with superior caging properties. Bulky rests are attached to the cage moiety via Cu‐catalyzed azide–alkyne cycloaddition post‐synthetically on DNA. Interestingly, the decrease in melting temperature upon introducing o‐nitrobenzyl‐caged (NPBY‐) and diethylaminocoumarin‐cages (DEACM‐) in DNA duplexes reaches a limiting value. NMR spectroscopy was used to characterize individual base‐pair stabilities and determine experimental structures of a selected number of photocaged DNA molecules. The experimental structures agree well with structures predicted by MD simulations. Combined, the structural data indicate that once a sterically demanding group is added to generate a tri‐substituted carbon, the sterically less demanding cage moiety points towards the neighboring nucleoside and the bulkier substituents remain in the major groove.
Many processes in living cells involve interaction and cooperation of multiple proteins to fulfill a specific function. To understand biological processes in their full complexity, it is not sufficient to only identify the molecules being involved but also to understand the kinetic aspects of a reaction. Mass spectrometry (MS) is a very powerful tool which allows to precisely identify the molecules of a reaction. Usually this is done with tandem-MS experiments for purpose of de-novo peptide sequencing. However, since this involves protein digestion, a statement of the in-vivo constitution of non-covalently bound protein complexes is not possible. In order to detect an intact protein complex it is necessary to analyze the biological system softly and in a near-native environment with native MS. Native MS allows the non-destructive analysis of these non-covalent protein complexes as well as to detect their components. However, up to now native MS does not offer a possibility to resolve the timing of the constitution of protein complexes on a fast time-scale. Therefore, the progress of reactions on fast time-scales is invisible. However, a method which delivers both types of information - identification of the components of a protein complex, as well as time-resolving their interaction - would be of high interest.
A suitable ionization technique for native MS is laser-induced liquid-bead ion desorption (LILBID). LILBID employs well-defined droplets which are irradiated by IR laser pulses to generate gas phase ions. The not-continuous, repetitive nature of ion generation offers itself to the development of a time-resolved (TR) native MS system which is able to investigate protein complexes on a fast time scale. The LILBID-droplets can serve as reaction vessels if they are levitated in an electrodynamic Paul-trap. This new setup would allow sample manipulation and MS analysis on precise and fast reaction time-scales. The first part of this dissertation presents the construction and characterization of a setup for TR-LILBID-MS.
An example for a complex biological system is the self-assembly of beta-amyloid (Aβ). This small peptide is the major component in plaques related to Alzheimer’s disease. Clinically relevant is especially the 42 amino acid peptide Aβ42 which aggregates from monomers to oligomers through to fibrils. The oligomers are the neurotoxic species in this process and thus of high interest. Nevertheless, standard analytical techniques are unable to detect those oligomers which makes MS an optimal tool to study the oligomerization process of Aβ with the focus on disease relevant oligomers. TR-LILBID-MS allows to follow the oligomerization of Aβ enabling to study molecules which influence this kinetic. Combining MS with ion-mobility spectrometry adds an additional dimension - the collision cross section - to the mass-to-charge ratio obtained from MS. Therewith structural alterations induced by ligands can be correlated to differences in the aggregation kinetic. This allows to draw a picture of the aggregation process of Aβ for the development of disease-relevant small oligomers on a molecular level.
Die in der vorliegenden Arbeit gewonnenen Erkenntnisse zur Reaktivität zweifach reduzierter 9,10-Dihydro-9,10-diboraanthracene [A]2– erweitern das Einsatzspektrum von Hauptgruppenverbindungen im Hinblick auf die Aktivierung kleiner Moleküle. Komplementär zu Übergangsmetallkomplexen und FLPs ermöglichen die Salze M2[A] (M+ = Li+, Na+, K+) die Entwicklung neuartiger Synthesestrategien. Als besondere Herausforderung gilt die Aktivierung des stabilen H2-Moleküls, dessen Bindung die Dianionen [A]2– homolytisch in einer konzertierten Reaktion spalten.
Untersuchungen zur Kinetik der H2-Addition an M2[A] stellten die Abhängigkeit dieses Reaktionsschritts vom borgebundenen Substituenten und vom Kation heraus. Eine geringe sterische Abschirmung der Boratome durch kleine borgebundene Substituenten (C≡CtBu, Me, H) begünstigt die H2-Aufnahme gegenüber großen Substituenten (pTol, Xyl, Et). Die maximale Ausbeute an M2[A-H2] wird für M+ = Li+ erst nach mehreren Tagen bei 100 °C erhalten, während einige Stunden bei nur 50 °C für die quantitative Bildung von K2[A-H2] ausreichen.
Unter den Salzen M2[A] eignet sich Li2[68] mit borgebundenen Me-Substituenten besonders gut für den Einsatz als Hydrierungskatalysator. Mit Li2[68] konnten das Imin Ph(H)C=NtBu, das terminale Alken Ph2C=CH2 und Anthracen erfolgreich im NMR-Maßstab hydriert werden (Katalysatorladung 37 mol%, THF-d8, 1 atm H2-Initialdruck, 100 °C, 16 h). Im Reaktionsautoklaven war für die Hydrierung von Ph(H)C=NtBu eine Verringerung der Katalysatorladung auf 10 mol% Li2[68] möglich (THF, 7 atm H2-Initialdruck, 100 °C, 18 h). Konkurrenzreaktionen begründen Einschränkungen in Bezug auf die Substratpalette, da M2[68] (M+ = Li+, Na+) mit elektronenarmen ungesättigten Verbindungen, die C=C-, C≡C-, C=O- oder C=N-Bindungen enthalten, [4+2]-Cycloadditionsprodukte bilden können. Die Reversibilität dieser Reaktion entscheidet, ob Li2[68] als Katalysator fungiert oder irreversibel in den Strukturen gebunden bleibt.
Vielseitiger sind die H2-Aktivierungsprodukte M2[A-H2] als H–-Donoren geeignet: Na2[68-H2] ersetzt Halogenid- durch H–-Substituenten in Bromethan, sowie in Chlorsilanen und PCl3; CO2 wird in Natriumformiat überführt. Unabhängig von der Anzahl der Chlorliganden werden die Produkte immer vollständig hydriert. Eine erneute Reduktion von 68 kann wieder Na2[68] bereitstellen, das H2 aufnimmt und Na2[68-H2] regeneriert, welches für neue H–-Abgaben zur Verfügung steht. Bei der experimentellen Umsetzung des Kreislaufs ist es wichtig, die beschriebenen Reaktionsschritte nacheinander auszuführen und jeweils nur stöchiometrische Mengen des Elektrophils zuzugeben. Bei Abweichungen vom schrittweisen Syntheseprotokoll finden formale nukleophile Substitutionen mit M2[68] statt und monoanionische Spezies entstehen, z. B. wenn Et3SiBr als Elektrophil anwesend ist.
Gegenüber CO2 zeigt Li2[68] eine hohe Reaktivität, durch die selektiv CO und [CO3]2– gebildet werden. Wie zuvor bei den H–-Transferreaktionen ermöglicht die Reduktion der Neutralverbindung 68 die Regeneration von Li2[68].
Die Dianionen [A]2– stechen unter anderen cyclischen Borverbindungen in niedrigen Oxidationsstufen heraus, da mit [A]2– nicht nur die Aktivierung von H2 oder CO2 gelang, sondern erstmalig über die Einbindung der Additionsprodukte in zum Teil katalytische Folgereaktionen berichtet werden konnte.
Multidomain enzymes, such as fatty acid synthases (FASs) or polyketide synthases (PKSs), play a crucial role in the biosynthesis of important natural products. They have a high significance in the development of new pharmaceuticals and various research approaches focus on the engineering of these proteins. For example, human type I FAS is an interesting therapeutic target. Owing to its importance in lipogenesis, upregulation of human type I FAS expression has been observed in numerous cancers. Type I FAS is also regarded as important target in antiobesity treatment. Both multidomain enzyme classes - FASs and PKSs - show high structural and functional similarities. Particularly animal type I FAS is most relevant as evolutionary precursor of the PKS family. Therefore, the well characterized FASs are suitable model proteins for the poorly characterized PKSs, to gain deeper understanding in these megasynthases.
Furthermore, fatty acids are considered to be strategically important platform chemicals accessible through sustainable microbial approaches. The recently acquired structural information on FASs provides an excellent understanding of the molecular basis of fatty acid synthesis. The specific understanding of chain-length control, the characterization of a multitude of substrate-specific thioesterases, and the emerging tools and means for metabolic engineering have fostered targeted approaches for modulating chain length. There is large interest in short-chain fatty acids, since these compounds are biotechnologically valuable platform chemicals and biofuel precursors, and attempts on the synthesis of short-chain fatty acids have been reported during the last years.
Primary focus of this thesis lies on the animal type I FASs, which exhibit large conformational variety, as seen in electron microscopy and high-speed atomic force microscopy. Conformational dynamics facilitate productive protein-protein interactions between catalytic domains within the enzyme and aid acyl carrier protein (ACP)-mediated substrate shuttling during the catalytic cycle of fatty acid biosynthesis. To gain deeper insight into the fundamental processes of ACP-mediated substrate shuttling and the underlying conformational dynamics, spectroscopic methods like Förster resonance energy transfer and electron paramagnetic resonance spectroscopy shall be employed. These spectroscopic methods demand site-specific labeling of proteins with fluorophore or spin labels, which can be accomplished with the amber codon suppression technology. Through amber codon suppression, a non-canonical amino acid (ncAA) with an orthogonal functional group is incorporated site-specifically into the protein sequence, which can be used in chemoselective reactions for protein labeling.
This thesis is at the forefront of employing the technology of amber codon suppression for addressing complex biological questions on megasynthases. The successful production of ncAA-modified FASs is challenging. With the aim of incorporating ncAAs into the multidomain 540 kDa large murine FAS, we by far exceed boundaries of documented application of amber codon suppression. Most of the proteins that are reported by Liu & Schultz in applications of amber codon suppression are in the range of 30kDa - for example the TE domain of human FAS. In the same review, the largest protein amber codon suppression was applied to is a potassium channel with roughly 80 kDa. Thus, to the best of my knowledge no protein exceeding 100 kDa has been used in amber codon suppression so far.
In this thesis a low-complex, well-plate based reporter assay is presented, based on an ACP-GFP fusion protein for fast and efficient screening of ncAA incorporation. Reliability and applicability of the reporter assay is demonstrated by successful upscaling to larger protein constructs and increased expression scale.
As outlined in this thesis, we have carefully set up methods for the modification of murine FAS and made several achievements:
(i) We have created our own toolbox with a multitude of suppressor plasmids and various orthogonal pairs. pACU and pACE plasmids are compatible for fast exchange of cassettes, and cloning procedures are optimized for modification of synthetases by site-directed mutagenesis. (ii) We have organic synthesis of several ncAAs stably running in the lab and synthesis of other ncAAs can be established when required. Therefore, extensive screening at moderate costs is possible. (iii) We have established a reporter assay for screening our own library of vectors for amber codon suppression and for optimizing incorporation of ncAAs. (iv) We successfully incorporated ncAAs into subconstructs and full-length murine FAS, and collected initial promising results for the application of these proteins in spectroscopic methods. Thus, laying the foundation for future studies to address fundamental questions of the ACP-mediated substrate shuttling and other conformational dynamics of these enzymes.
Hexoses are the major source of energy and carbon skeletons for biosynthetic processes in all kingdoms of life. Their cellular uptake is mediated by specialized transporters, including glucose transporters (GLUT, SLC2 gene family). Malfunction or altered expression pattern of GLUTs in humans is associated with several widespread diseases including cancer, diabetes and severe metabolic disorders. Their high relevance in the medical area makes these transporters valuable drug targets and potential biomarkers. Nevertheless, the lack of a suitable high-throughput screening system has impeded the determination of compounds that would enable specific manipulation of GLUTs so far. Availability of structural data on several GLUTs enabled in silico ligand screening, though limited by the fact that only two major conformations of the transporters can be tested. Recently, convenient high-throughput microbial and cell-free screening systems have been developed. These remarkable achievements set the foundation for further and detailed elucidation of the molecular mechanisms of glucose transport and will also lead to great progress in the discovery of GLUT effectors as therapeutic agents. In this mini-review, we focus on recent efforts to identify potential GLUT-targeting drugs, based on a combination of structural biology and different assay systems.
Neurleptic drugs, e.g., aripiprazole, targeting the dopamine D2S and D3 receptors (D2SR and D3R) in the central nervous system are widely used in the treatment of several psychotic and neurodegenerative diseases. Therefore, a new series of benzothiazole-based ligands (3-20) was synthesized by applying the bioisosteric approach derived from the selective D3Rs ligand BP-897 (1) and its structurally related benz[d]imidazole derivative (2). Herein, introduction of the benzothiazole moiety was well tolerated by D2SR and D3R binding sites leading to antagonist affinities in the low nanomolar concentration range at both receptor subtypes. However, all novel compounds showed lower antagonist affinity to D3R when compared to that of 1. Further exploration of different substitution patterns at the benzothiazole heterocycle and the basic 4-phenylpiperazine resulted in the discovery of high dually acting D2SR and D3R ligands. Moreover, the methoxy substitution at 2-position of 4-phenylpiperazine resulted in significantly (22-fold) increased D2SR binding affinity as compared to the parent ligand 1, and improved physicochemical and drug-likeness properties of ligands 3-11. However, the latter structural modifications failed to improve the drug-able properties in ligands having un-substituted 4-phenylpiperazine analogs (12-20). Accordingly, compound 9 showed in addition to high dual affinity at the D2SR and D3R [Ki (hD2SR) = 2.8 ± 0.8 nM; Ki (hD3R) = 3.0 ± 1.6 nM], promising clogS, clogP, LE (hD2SR, hD3R), LipE (hD2SR, hD3R), and drug-likeness score values of −4.7, 4.2, (0.4, 0.4), (4.4, 4.3), and 0.7, respectively. Also, the deaminated analog 10 [Ki (hD2SR) = 3.2 ± 0.4 nM; Ki (hD3R) = 8.5 ± 2.2 nM] revealed clogS, clogP, LE (hD2SR, hD3R), LipE (hD2SR, hD3R) and drug-likeness score values of −4.7, 4.2, (0.4, 0.4), (3.9, 3.5), and 0.4, respectively. The results observed for the newly developed benzothiazole-based ligands 3-20 provide clues for the diversity in structure activity relationships (SARs) at the D2SR and D3R subtypes.
Paramyxo- and pneumoviruses include many pathogens with great relevance for human and animal health. To identify common host factors involved in the Paramyxo- and Pneumoviridae life cycle as a basis for new insights in the biology of these viruses and the development of rationally designed therapeutics, genome scale siRNA screens with wild-type measles, mumps, and respiratory syncytial viruses in A549 cells, a human lung adenocarcinoma cell line, were performed. A comparative bioinformatics analysis yielded different members of the coatomer complex I, the translation factors ABCE1 and eIF3A, and several RNA binding proteins as cellular proteins with proviral activity for all three viruses. The strongest common hit, ABCE1, an ATP-binding cassette transporter member, was chosen for further study. We found that ABCE1 supports replication of all three viruses, confirming its importance for both virus families. While viral protein kinetics showed that ABCE1 knockdown resulted in a drastic decrease of MeV protein expression, viral mRNA kinetics are not directly affected by a reduction of ABCE1.
The impact of ABCE1 on viral and global cellular translation was investigated using both 35S metabolic labelling and non radioactive fluorescent protein labelling. ABCE1 knockdown strongly inhibited the production of MeV proteins, while only modestly affecting global cellular protein synthesis and showed that ABCE1 is specifically required for efficient viral, but not general cellular, protein synthesis, indicating that paramyxoand pneumoviral mRNAs may exploit specific translation mechanisms.
In a second approach the efficacy of the small-molecule polymerase inhibitor ERDRP-0519 against MeV was assessed in squirrel monkeys. Animals treated with the drug experienced less severe clinical disease compared to untreated controls, and this effect correlated with the onset of drug treatment.
We observed a reduction of levels of PBMC-associated viremia and virus release in the upper airways, illustrating effective inhibition of virus replication by the drug treatment. ERDRP-0519 drug treatment also alleviated MeV-induced immunosuppression. In addition to providing proof-of-concept for the support of MeV eradication efforts by preventing disease and transmission with a small-molecule polymerase inhibitor, this dissertation provides a novel perspective on cellular proteins that impact the replication of MeV, MuV and HRSV and highlights the role of ABCE1 as host factor that is required for efficient paramyxo- and pneumovirus translation.
ATP-binding cassette (ABC) transporters constitute an omnipresent superfamily of integral membrane proteins, which catalyze the translocation of a multitude of chemically diverse substrates across biological membranes. In humans, ABC transporters typically act as highly promiscuous exporters, responsible for many physiological processes, multi-drug resistance, and severe diseases, such as hypercholesterolemia, lipid trafficking disorders, and immune deficiency. In all ABC transporters, ATP-driven movements within two highly conserved nucleotide-binding domains (NBDs) are coupled to conformational changes of two transmembrane domains (TMDs), which provide a framework for substrate binding and release on the opposite side of the membrane and enable the transporter to cycle between inward-facing and outward-facing orientations. Several structures of ABC transporters determined either by X-ray crystallography or single-particle electron cryo-microscopy (cryo-EM) have been reported, mostly exhibiting a variation of the inward-facing state, which highlights their dynamic behavior. However, for a complete understanding of the conformational dynamics, further structural information on intermediates is needed – especially for heterodimeric ABC transporters, which are predominant in humans and for which only limited structural information is available.
One prime example of such human heterodimeric ABC transport complexes is the transporter associated with antigen processing (TAP). TAP is a key player of the adaptive immune response, because it translocates proteasomal degradation products into the ER lumen for loading of MHC I molecules. Many functional aspects of TAP have been disclosed in recent years. However, structural information is lacking far behind and a major challenge in the field of medical relevant transporters. Recently, the heterodimeric ABC export system TmrAB (Thermus thermophilus multidrug resistance proteins A and B) was identified as an ortholog of TAP, by sharing structural homology with TAP and, intriguingly, being able to restore antigen presentation in human TAP-deficient cells. Thus, TmrAB is a biochemically well-characterized ABC exporter that can be regarded as a functional ortholog of TAP and serves as a model system for (heterodimeric) ABC export systems in general.
Thus, to illuminate the molecular basis of substrate translocation by single-particle cryo-EM, one of the main objectives of this work was the generation of stabilizing chaperones (synthetic antibodies, nanobodies, cyclic peptides) to reduce the conformational heterogeneity of TAP and TmrAB. Selected antibodies were analyzed with respect to stable complex formation, conformational trapping, and the ability to serve as alignment tools for structural studies by single-particle cryo-EM. Both antibody types were shown to form sufficiently stable complexes to serve as a rigid body for EM analyses. However, all selected antibodies bound to the inward-facing state exclusively.
Hence, for EM studies, various ligands were added to elucidate the full spectrum of conformational states during the catalytic cycle. For TAP, first attempts by negative-stain EM revealed a homogenous distribution of particles on the grid. Surprisingly, no transporter-like features were observed although various attempts were applied to increase the overall sample quality.
For TmrAB, in contrast, the complete conformational space in a native-like lipid environment under turnover conditions was mapped. Cryo-EM analysis of TmrAB incubated with ATP-Mg2+ and substrate revealed two distinct inward-facing conformations (IFwide and IFnarrow) as well as two asymmetric conformations with dimerized NBDs, which were markedly different from all previously reported structures. Here, the catalytically active site was slightly wider and contained ADP, while ATP was still bound at the catalytically-inactive site within the NBDs, demonstrating an asymmetric post-hydrolysis state. Intriguingly for the inward-facing conformations, a weak additional density close to residues M139TmrB and W297TmrB was observed in the inward-facing conformation, which displayed a higher degree of cytosolic gate opening (IFwide) indicating the presence of substrate. To verify that this density corresponds to substrate, single alanine mutations of M139TmrB and W297TmrB were introduced, leading to a strong reduction in substrate binding and transport. Since substrate release requires the opening of the extracellular gate, the absence of an outward-facing open conformation indicated that the opening must be highly transient. In order to explore the outward-facing open conformation, a cryo-EM analysis of the catalytically-inactive TmrAE523QB mutant upon incubation with ATP-Mg2+ was performed. Remarkably, within the same dataset, two different outward-facing conformations (occluded and open) were resolved, both in an ATP-bound state, which indicated that binding of ATP is sufficient to drive the large-scale conformational transition from inward-facing to outward-facing open. To explore the effect of nucleotide hydrolysis, TmrAB was trapped by vanadate. Again, two populations were observed, representing the outward-facing open and outward-facing occluded conformation.
Based on several structures of key intermediates, determined under turnover conditions or trapped in the pre-hydrolysis and hydrolysis transition state, for the first time the complete description of the ATP hydrolysis and translocation cycle of a heterodimeric ABC transport complex was elucidated in one single study. By mapping the conformational landscape during active turnover, aided by mutational and chemical modulation of kinetic rates, fundamental and so-far hidden steps of the substrate translocation cycle of asymmetric ABC transporters were resolved and a general template for (heterodimeric) ABC exporter-catalyzed substrate translocation was provided.
Proteostasis stressors that destabilize the cellular proteome, like heat shock, trigger transcription and translational reactions leading to the accumulation of heat shock proteins, also called molecular chaperones. During stress, induction of stress response genes is prioritized so that molecular chaperones and other stress response proteins are synthesized to cope with proteome misfolding and aggregation. In order to promote the selective translation of stress-specific genes, translation of others genes that are nonessential for cell survival has to stop. Nonessential protein-coding mRNAs accumulate in the cytosol with the associated proteins to form granular structures called stress granules (SG). These membrane-less organelles are thought to be involved in cell survival, mRNA stabilization and mRNA triage. They were proposed to form via the liquid-liquid phase separation which can be triggered by the high local concentration of RNA-binding proteins. mRNAs were long thought to simply play a scaffolding role by bringing RNA-binding proteins together and allowing their concentration and local aggregation. Recently, the active role of mRNAs in the SG assembly became apparent, too. For example, the spontaneous assembly of total yeast RNA into granules was observed, and these RNA granules showed a large overlap with SG transcriptome. Furthermore, cytosolic mRNAs can be released from polyribosomes under stress and be exposed to the cytosolic contents as free mRNAs. It has been suggested that this massive increase of free mRNA in the cytosol might overload the capacities of RNA-stabilizing proteins. The remaining free mRNA molecules would then become exposed to misfolded and aggregation-prone proteins and trigger granulation.
We investigated the role of free mRNAs in different stress conditions during the early and chronic phases of stress response and explored their involvement in SGs assembly and amlyoidogenesis. We identified and studied the interactome of a free mRNA probe incubated with heat shocked cell lysate by means of quantitative mass spectrometry. Proteomics analysis allowed us to identify 79 interactors of free mRNA. Among these interactors, we focused on the translation initiation factor eIF2α and on the RNA methyltransferase TRMT6/61A. Both interactions were verified biochemically, which confirmed that the association is enhanced in heat shocked lysate. In vitro reconstitution showed that free mRNA and TRMT6 interact directly. Ex vivo pulldowns revealed that eIF2α and TRMT6/61A interact under stress conditions and that this interaction is RNA-dependent.
TRMT6/61A is a tRNA methytransferase responsible for the methylation of the adenosine 58 at the position 1 producing m1A. However, also mRNAs have been recently found to be methylated by TRMT6/61A. Our bioinformatics analyses revealed that significantly more mRNAs enriched in SG contain the motif for methylation than SG-depleted mRNAs. We hypothesized that m1A methylation of mRNAs could constitute a tag for the mRNAs targeting to SGs. TRMT61A knock-down (KD) cell lines were generated using the CRISPR-Cas9 technique. In TRMT61A KD cells, m1A was significantly reduced on mRNAs, which correlated with an increased sensitivity of the cells to proteostasis stress. KD cells also showed defects in SG assembly. In heat shocked cells, an m1A motif-containing mRNA recovered better after returning to normal temperature than a control mRNA with mutated motif. In addition, we could isolate SGs and analyze their m1A and m6A content by mass spectrometry. While m6A content in SG mRNAs was very similar to cytosolic mRNAs, m1A was almost 8 times enriched in SGs. Thus, we could confirm experimentally the results of the bioinformatics analysis and directly support the hypothesis that m1A is a tag to direct mRNAs for sequestration. Finally, we compared amyloidogenesis in wild-type and TRMT61A KD cell lines. Cells with reduced levels of TRMT61A demonstrated an increased accumulation of transfected Aβ and an impaired aggregate clearance. Various assays led us to conclude that the lack of m1A deposition on mRNAs enhanced RNA co-aggregation with amyloids.
Based on our results, we propose a model explaining the fate of free mRNA during proteostasis stress. Upon polysome disassembly, free mRNA is released and becomes free to interact with other proteins, including the methyltransferase TRMT6/61A. TRMT6/61A methylates the freed mRNAs containing the cognate motif. The m1A tag then targets mRNAs to SGs promoting sequestration. Upon stress release, SGs disassemble, thus releasing rescued mRNAs which could now reenter translation and support cell recovery. On the other hand, non-sequestered mRNAs increasingly co-aggregate with aggregating proteins. Thus, deficiency of the N1-adenine methylation of mRNAs due to the lack of TRMT6/61A increases the amount of unpacked mRNAs. The deposition of m1A on mRNAs could then be a way to protect them during exposure to stress, to limit their co-aggregation with misfolded proteins and to allow a faster recovery upon stress release.
Enolase is a glycolytic enzyme, which catalyzes the inter-conversion of 2-phosphoglycerate to phosphoenolpyruvate. Altered expression of this enzyme is frequently observed in cancer and accounts for the Warburg effect, an adaptive response of tumor cells to hypoxia. In addition to its catalytic function, ENO-1 exhibits other activities, which strongly depend on its cellular and extracellular localization. For example, the association of ENO-1 with mitochondria membrane was found to be important for the stability of the mitochondrial membrane, and ENO-1 sequestration on the cell surface was crucial for plasmin-mediated pericellular proteolysis. The latter activity of ENO-1 enables many pathogens but also immune and cancer cells to invade the tissue, leading further to infection, inflammation or metastasis formation. The ability of ENO-1 to conduct so many diverse processes is reflected by its contribution to a high number of pathologies, including type 2 diabetes, cardiovascular hypertrophy, fungal and bacterial infections, cancer, systemic lupus erythematosus, hepatic fibrosis, Alzheimer’s disease, rheumatoid arthritis, and systemic sclerosis. These unexpected non-catalytic functions of ENO-1 and their contributions to diseases are the subjects of this review.
Living matter is defined by metastability, implying a tightly balanced synthesis and turnover of cellular components. The first step of eukaryotic protein degradation via the ubiquitin-proteasome system (UPS) leads to peptides, which are subsequently degraded to single amino acids by an armada of proteases. A small fraction of peptides, however, escapes further cytosolic destruction and is transported by ATP-binding cassette (ABC) transporters into the endoplasmic reticulum (ER) and lysosomes. The ER-resident heterodimeric transporter associated with antigen processing (TAP) is a crucial component in adaptive immunity for the transport and loading of peptides onto major histocompatibility complex class I (MHC I) molecules. Although the function of the lysosomal resident homodimeric TAPL-like (TAPL) remains, until today, only loosely defined, an involvement in immune defense is anticipated since it is highly expressed in dendritic cells and macrophages. Here, we compare the gene organization and the function of single domains of both peptide transporters. We highlight the structural organization, the modes of substrate binding and translocation as well as physiological functions of both organellar transporters.
Die Lebensfunktion der Zelle beruht unter anderem auf der Funktion und Wechselwirkung der Nukleinsäuren DNA (2’-Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure). Mit Hilfe von PDS (engl. ’pulsed dipolare spectroscopy’)-Techniken, basierend auf der EPR (engl. ’electron paramagnetic resonance’)-Spektroskopie, können Abstände in einem Bereich von 2-10 nm zwischen zwei markierten Positionen einer Nukleinsäure bestimmt werden. Daneben kann mit der Abstandsverteilung auf die Flexibilität des Moleküls geschlossen werden. Durch PDS-Messungen eröffnet sich die Möglichkeit, Bewegungen und Zustandsänderungen zu untersuchen. Die Messungen beruhen auf der dipolaren Kopplung von Radikalen (Spinlabel). Da die gemessenen dipolaren Kopplungen eine anisotrope Wechselwirkung sind, können an starren Systemen neben den Abstandsinformationen auch die Orientierungen der beiden Spinlabel zueinander bestimmt werden. Diese zusätzliche Information ermöglicht es, mittels orientierungsselektiver PDS-Messungen noch genauer die Geometrie und Flexibilität des Systems zu untersuchen. Klassischerweise werden alle Messungen mit der Doppelfrequenztechnik PELDOR (engl. ’pulsed electron-electron double resonance’) durchgeführt. Einzelfrequenzmethoden basieren dagegen auf Breitbandanregung, die mit den technischen Gegebenheiten l nge nicht möglich war. Eine solche Sequenz ist 2D-SIFTER.ImmRahmen dieser Arbeit von PELDOR ausgehende, weiterentwickelte Simulationsprozedur etabliert. Eine große Herausforderung ist die eindeutige Interpretation der sensitiven orientierungsselektiven PELDOR-Messungen. Sie mittels MD (Moleküldynamik)-Simulationen zu beschreiben war bisher nur qualitativ möglich. Allerdings wurden mehrere neue Kraftfelder publiziert. Mit einem quantitativen Vergleich mit orientierungsselektiven PELDOR-Daten kann sichergestellt werden, dass die Flexibilität des Systems durch Kraftfelder richtig beschrieben ist. PELDOR-Zeitspuren, gemessen bei Raumtemperatur und 50 K, unterscheiden sich besonders in ihrer Dämpfung. Der physikalische Unterschied beider Messungen konnte durch MD-Simulationen qualitativ nachvollzogen worden. Eine Schwierigkeit für speziell orientierungsselektive PELDOR-Messungen ist die aufwendige Synthese von mit dem starren Ç-Label markierten Nukleinsäuren. Als Alternative wurde in der Sigurdsson-Gruppe das halbstarre IMU-Label entwickelt. Die Analyse der orientierungsselektiven Daten ergab ein klares Bild der Dynamik dieses Labels. Ein weiterer interessanter Spinlabel ist der `G. Dieser Label ist nicht kovalent gebunden, sondern interkaliert in eine Stelle der Nukleinsäure, in der eine Guanin- Base fehlt. MD-Simulationen im quantitativen Vergleich mit orientierungsselektiven PELDOR-Messungen an verschiedenen Magnetfeldern haben eine hohe Übereinstimmung. Dabei konnte gezeigt werden, dass der Label, interkaliert in eine dsDNA, flippen kann, was zu einer Ausmittelung der Anisotropie führt, allerdings zu keiner Verbreiterung der Abstandsverteilung. Dagegen wird in der dsRNA dieses Flippen um die Einfachbindung sterisch gehindert, so dass neben dem Abstand auch die Orientierung des Labels bestimmt werden kann. Kurze dsRNA-Bausteine tendieren dazu, Oligomere zu bilden, was zu Multispineffekten führte. Zusätzlich beeinflusst diese Aggregation die Dynamik der einzelnen RNAs. Daher musste dieses ’end-to-end’-Stacking verhindert werden. Eine Nukleobasean einem Ende der dsRNA führt zu einer Dimerisierung, während eine Nukleobase an beiden Seiten dieses Stacking vollständig verhindert. Messungen mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen konnten zusätzlich zeigen, dass die Interaktion zweier dsRNAs bei höheren Salzkonzentrationen zunimmt.
The three major autoimmune diseases (ADs) of the liver are primary biliary cholangitis (PBC), primary sclerosing cholangitis (PSC), and autoimmune hepatitis (AIH). All of those diseases show an aggressive immune reaction resulting in the destruction of liver tissue and finally to the development of hepatic fibrosis.
PSC is an autoimmune mediated disease of unknown etiology. It is characterized by inflammation of intra- and extrahepatic bile ducts. The progressive destruction of the bile ducts can lead to liver cirrhosis and finally to liver failure. Clinical signs for PSC are increased alkaline phosphatase (AP) and gamma glutamyltransferase (GGT) levels, presence of perinuclear anti-neutrophil cytoplasmic antibodies (pANCA) and bile ducts with characteristic strictures and dilations of the biliary tree as well as onion skin fibrosis surrounding the damaged bile ducts. Currently, there is no established treatment for PSC patients. The administration of ursodeoxycholic acid (UDCA) is being use as a therapy. However, it merely serves a symptomatic treatment to reduce serum AP and GGT as well as the formation of gallstones. In the advanced stage of PSC, liver transplantation is the last therapeutic option. Mdr2-/- mice are an excepted mouse model for human PSC. Such mice show lymphocytes infiltration into the liver, bile duct lesions, as well as the presence of the typical onion skin-like pericholangitis and periductal fibrosis.
AIH is a rare chronic autoimmune disease of the liver that results from the loss of self-tolerance to hepatocytes and leads to destruction of the hepatic parenchyma with the onset of cirrhosis. Clinical signs for AIH are elevated alanine aminotransferase (ALT) and aspartate transaminase (AST) levels, hypergammaglobulinemia and different types of autoantibodies. In addition, interphase hepatitis with lymphocytic and plasmacellular infiltrates in the periportal field are characteristic for AIH. Two different subtypes of AIH exist and depending on their autoantibody profile they can be distinguished into AIH type 1 which is characterized by the presence of anti-nuclear (ANA) and/or anti-smooth muscular (SMA) autoantibodies, and AIH type 2 showing liver/kidney microsomal autoantibodies (LKM-1). LKM-1 recognizes the major autoantigen, the 2D6 isoform of the cytochrome P450 enzyme family (CYP2D6). One mouse model for AIH is the CYP2D6 model in which the injection of Ad-2D6 leads to a breakdown of the immune tolerance by the destruction of hepatocytes.
There are some patients with autoimmune diseases of the liver who have both cholestatic and hepatic liver enzymes and histological features suggestive of two different liver diseases. These patients are diagnosed with an overlap syndrome (OS).
In my thesis I generated an animal model with characteristics of both diseases, which would mimic features of human PSC-AIH OS. Mdr2-/- mice which spontaneously develop PSC were infected with Ad-2D6 to trigger the autoimmune-driven hepatic injury. Pathogenesis of PSC-AIH OS mice was compared to mice with solitary PSC or AIH. Naïve FVB wild type mice have been used as healthy controls. The characterization of the PSC-AIH OS model was done by analyzing serological parameters like ALT, AP, different antibodies like pANCA, LKM-1 like CYP2D6 and total IgG. Additionally, fibrosis and cholangitis were analyzed by immunohistochemistry and Western blotting. Moreover, cellular infiltrations of CD4+ and CD8+ T cells, dendritic cells (DCs), monocytes/macrophages and neutrophils were determined with immunohistochemistry. Finally, the overall immune balance in the liver and the frequency of CYP specific T cells were analyzed via flow cytometry. Our new mouse model indeed represents the characteristics of both PSC and AIH and mimics features of the human PSC-AIH OS. It allows studying the development of a PSC-AIH OS and how the two overlapping diseases are influencing one another. In a second approach I wanted to induce CYP2D6-specific tolerance in AIH mice. Therefore, I tried four different approaches, namely intranasal peptide administration, injection of tolerogenic DCs, antigen-coupled splenocytes, and Ag-coupled nanoparticles (NP) and evaluated their potential to induce CYP2D6 specific Treg with the capacity to prevent AIH in mice. Unfortunately, the intranasal peptide administration and also the injection of tolerogenic DCs did not increase the amount of CYP2D6 specific Treg which would lead to a reduction of the frequency of inflammatory T cells. Surprisingly, the injection of antigen-coupled splenocytes showed the opposite effect characterized by a very strong cytokine secretion in the tolerized mice. The use of NPs led to an increase in CYP2D6 specific Treg as well as in decrease in the frequency of inflammatory T cells and finally has the potential for a therapeutic approach.
In summary, the generated PSC-AIH OS model represents many clinical signs which can also be observed in PSC-AIH OS patients. This model can be used to study the etiology of this overlap syndrome and further to test potential therapeutic approaches. The different immune tolerance induction pathways which I tried in the AIH model show that NPs have to potential to induce immune tolerance but this approach has to be refined and the outcome has to be characterized in more detail.
Die CXCR4-CXCL12-Signalachse gilt als eines der bislang am besten studierten Signalsysteme in der Hämatopoese. Allerdings stammt unser Wissen über diesen kritischen Signalweg maßgeblich aus subtraktiven Studien, wie z.B. knock-out Modellen oder pharmakologischer Inaktivierung. Zwar können aus diesen Modellen wichtige Erkenntnisse über die physiologische Rolle dieses Signalwegs abgeleitet werden, aber dennoch bleiben einige Phänomene ungeklärt. So konnte gezeigt werden, dass es sowohl bei CXCR4-Defizienz als auch bei Patienten mit dem WHIM-Syndrom (ausgelöst durch eine überaktive CXCR4-Mutante) zu einer ausgeprägten B-Zellaplasie kommt. Dies scheint intuitiv nicht vereinbar. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit ein Modell mit einer überaktiven CXCR4- Mutante (CXCR41013/1013) hinsichtlich der (un)reifen Hämatopoese systematisch untersucht.
Zunächst wurden hämatopoetische Stamm- und Vorläuferzellen (HSPC) hinsichtlich der aberranten CXCR4-Signalweiterleitung ex vivo analysiert. Die CXCR4-Überaktivierung konnte sowohl in frühen Effekten nach Aktivierung des Rezeptors (F-Aktinpolymerisierung, Aktivierung des MAPK- Signalweges), als auch in späten, zellfunktionellen Effekten (Migrationsassay) nachgewiesen werden. Die veränderte CXCR4 Signalintegration hatte auch bereits in der Homöostase organismische Konsequenzen im Mausmodell. So konnte eine massiv vergrößerte HSPC-Population in der Milz von CXCR41013/1013-Tieren detektiert werden, im Sinne einer extramedullären Hämatopoese. Knochenmarks-HSPC aus CXCR41013/1013-Tiere zeigten ein massiv eingeschränktes (serielles) Repopulationspotenzial. Kombiniert mit der oben genannten ausgeprägten extramedullären Hämatopoese in diesen Tiere interpretieren wir diese Beobachtung als starken Hinweis auf eine dysfunktionelle Interaktion der Stammzellen mit der hämatopoetischen Stammzellnische im Knochenmark. In diesem Zusammenhang besonders interessant ist die Tatsache, dass auch ein Kompetitorknochenmark das Überleben einer Sekundärtransplantation nicht sichert. Dabei ist zu diskutieren, ob dieser Effekt durch eine effizientere Besetzung von Stammzellnischen durch CXCR41013/1013-Zellen, eine Akkumulation von CXCL12 in der Knochenmarkflüssigkeit (siehe unten) oder eventuell sogar ein vesikelabhänginger Transport von mutiertem CXCR4 in Kompetitorzellen ausgelöst wird. Ein weiteres Merkmal dieser Dysfunktion könnte ebenfalls die gezeigte Akkumulation von CXCL12 in der Knochenmarkflüssigkeit von CXCR41013/1013-Tiere darstellen. Diese Akkumulation könnte die Suppression co-transplantierter wildtypischer Hämatopoese sowie die verminderte Effizienz der G-CSF-induzierten Stammzellmobilisierung funktionell erklären. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die Mobilisierung von Stammzellen aus dem Knochenmark durch einen CXCR4- Inhibitor in CXCR41013/1013-Tieren ebenfalls erheblich hinter der in Wildtypmäusen zurückbleibt.
Analog zu Patienten mit WHIM-Syndrom zeichnen sich CXCR41013/1013-Mäuse weiterhin durch eine ausgeprägte Leukopenie, insbesondere durch einen schweren B-Zell-Mangel, aus. Aus diesem Grund wurde die B-Lymphopoese und humorale Immunfunktion genauer analysiert. Eine grundsätzliche humorale Immunkompetenz von CXCR41013/1013-Tieren konnte nachgewiesen werden, jedoch ist die B-Memory-Funktion erheblich eingeschränkt. Durchflusszytometrisch und funktionell konnte eine reduzierte preB/pro-B Population im Knochenmark bei einer gleichzeitig vergrößerten preB/pro-B Population in der Milz (vgl. extramedulläre Hämatopoese) nachgewiesen werden. Ebenfalls konnten wir in dieser Zellpopulation eine stark erhöhte CXCR4-Oberflächenexpression im Vergleich zu wildtypischen Zellen nachweisen. Da diese unreifen B-Zellen keine verstärke Apoptoserate aufweisen, gehen wir derzeit davon aus, dass der Differenzierungsstopp nicht durch selektiven Zelltod, sondern durch aberrante Retention der preB/proB-Zellen in einer primitiven B-Vorläufer- Nische im Knochenmark zustande kommt, beziehungsweise durch eine gestörte Migration in differenzierende Nischen im Knochenmark. Alternativ könnte die Überdosis CXCR4-Signal differenzierenden Signalen entgegenstehen. Beide Hypothesen können das eingangs erwähnte Paradoxon bezüglich einer B-Zellaplasie in CXCR4-defizienten und CXCR4-überaktiven Zellen hinreichend erklären.
The membrane protein Green Proteorhodopsin (GPR), found in an uncultured marine γ-proteobacterium, is a retinal binding protein and contains a conserved structure of seven transmembrane helices (A-G). The retinal is bound to a conserved lysine residue (K231) in helix G via Schiff base linkage. It belongs to the widespread family of microbial rhodopsins and functions as a light dependent outward proton pump that bacteria may utilize for establishing a proton gradient across the cellular membrane. Proton pumping takes place after photon absorption, where GPR goes through a series of conformational changes, termed photocycle, causing the proton to be transported across the cellular membrane from the intra-cellular to the extracellular space. It is further mediated by the highly conserved functional residues D97 and E108, which function as the primary proton acceptor and primary proton donor for the protonated Schiff base, respectively. Another functionally important residue is the highly conserved H75 in helix B. It forms an intra-molecular cluster with D97 and is responsible for the high pKa value of the primary proton acceptor, stabilized by a direct interaction between D97 and H75.
Different Proteorhodopsin variants are globally distributed and colour tuned to their environment, depending on the water depth in which they occur. A single residue in the retinal binding pocket at position 105 is responsible for determining the absorption wavelength of the protein. GPR (from eBAC31A08) contains a leucine at position 105, while BPR (blue proteorhodopsin, from Hot75m4) in deeper waters possesses a glutamine. Although GPR shows 79% sequence identity with BPR, a single amino acid substitution (L105Q) in GPR is able to switch the absorption maximum to the one of BPR.
Protein oligomerisation describes the association of subunits (protomers) through non-covalent interactions, forming macromolecular complexes. It is an important structural characteristic of microbial rhodopsins, contributing to structural stability and promoting tight packing of the protomers in the bacterial membrane. GPR was shown to assemble into radially arranged oligomers, mainly pentamers and hexamers. No high resolution crystal structure of the whole GPR complex is available, but the structurally related BPR (Hot75m4) was successfully crystallized, showing pentameric oligomers.
The BPR crystal structure model reveals detailed information about complex assembly of the whole proteorhodopsin family. It reveals the oligomeric structures and shows residues that are part of the protomer interfaces, forming cross-protomer contacts, which is valuable information for the elaborate analysis of cross-protomer interactions of GPR oligomers.
Based on the knowledge of GPR and BPR oligomeric complexes, the aim of this study is to analyse specific cross-protomer contacts and to characterize the functional role of GPR oligomerisation. This includes the identification of residues, which are part of charged cross-protomer contacts and play an important role for the formation of the GPR oligomeric complex. Furthermore, this study deals with a detailed characterization of a potentially functional cross-protomer triad between the residues D97-H75-W34, which was detected in the BPR structural model. Hereby, the focus lies especially on the functional role H75, which is highly conserved and is positioned in between the primary proton acceptor D97 and W34 across the protomer interface. In summary, this study addresses GPR oligomerisation via specific cross-protomer contacts and its potential role for the functional mechanism of the protein.
The fundamental technique used in this study is solid-state NMR. Furthermore, an elaborate characterization of GPR oligomerisation was executed using a variety of biochemical methods and mutational approaches. Solid-state NMR is a powerful biophysical method to analyse membrane proteins in their native lipid environment and can be used to obtain diverse information about structure, molecular dynamics and orientation of the protein in the lipid bilayer.
Solid-state NMR naturally has a low sensitivity. In order to detect the low number of spins, DNP signal enhancement is of particular importance in this study. It is exhibited under cryogenic conditions and allows to drastically enhance the solid-state NMR signal by transferring magnetization from highly polarized electrons to the nuclear spins.
By applying these methods and techniques on GPR oligomers, this study reveals new insights in specific cross-protomer interactions in the complex. First the oligomeric states of GPR were determined for the specific experimental conditions used in this study. LILBID-MS, BN-PAGE and SEC analysis identified the pentameric state to be dominant for GPR. Furthermore, specific interactions across the protomer interface, which drive GPR oligomerisation, were identified. This was conducted by creating mixed 13C-15N labelled complexes. These mixed complexes show a unique isotope labelling pattern across their protomer interfaces. Solid-state NMR 13C-15N-correlation spectroscopy (TEDOR) was used to identify through-space dipole-dipole couplings, which indicate specific cross-protomer contacts. The results indicated that the residues R51, D52, E50 and T60 are important for GPR oligomerisation, and further analysis via single mutations of these residues showed a severe impact of the GPR oligomerisation behaviour.
The functional importance of GPR oligomerisation was analysed by DNP-enhanced solid-state NMR on the cross-protomer D97-H75-W34 triad. The DNP cryogenic conditions allowed to trap GPR in distinct stages of the photocycle. It could be shown that trapping GPR in a specific intermediate leads to a drastic conformational effect for the highly conserved H75 residue. Furthermore, DNP-enhanced solid-state NMR was used to characterize the cross-protomer contact between H75 and W34. Mutations of W34 could show that the cross-protomer interaction is highly important for the functionality of the protein, as negative mutants such as W34E showed a reverse proton transport across the bacterial membrane.
In summary this study represents a detailed analysis of GPR cross-protomer interactions and sheds light into the cause and functional importance of oligomeric complex formation in the microbial rhodopsin.
FPP und GGPP sind Intermediate des Mevalonat-Weges und fungieren als post-translationale Modifikation kleiner GTPasen. Die Prenylierung kleiner GTPasen erfolgt katalysiert von spezifischen Prenyltransferasen und ist notwendig um die kleinen GTPasen in Membranen zu verankern, wo ihre Aktivierung stattfindet. Zu den intrazellulären Funktionen der GTPasen gehören unter anderem der Aufbau des Cytoskeletts, das neuronale Zellwachstum, die Leitung und Ausläuferbildung von Axonen, das Dendritenwachstum, die Synapsenformation, die synaptische Plastizität und die Apoptose. Diese Funktionen spielen in der Gehirnalterung sowie in neurodegenerativen Erkrankungen wie der Alzheimer Demenz (AD) und auch bei der Glioblastoma multiforme (GBM) eine wichtige Rolle.
Im Zuge einer in vivo Studie an C57BL/6 Mäusen konnten in der vorliegenden Arbeit altersbedingte Veränderungen der Lokalisation verschiedener Rho- und Rab-GTPasen in Membran- und Cytosol-Präparationen sowie der GGTase-I in Gehirnen gealterter Tiere gezeigt werden. Die zelluläre Lokalisation der Rho GTPasen Rac1, RhoA und Cdc42 verschiebt sich im Alter zu reduzierten Membran-gebundenen und erhöhten cytosolischen Gehalten. Dies ist mit einer Reduktion der Protein- und mRNA- Gehalte des Enzyms GGTase-Iβ assoziiert, der Untereinheit der GGTase-I, die die Bindung des Isoprenoids GGPP an die Rho-GTPasen reguliert. Diese wiederum korrelieren direkt mit der altersbedingten Reduktion der relativen GGTase-Aktivität. Die in vitro Inhibition der GGTase-I mittels GGTI-2133 an SH-SY5Y Zellen erwies sich als Modell, welches die gleichen Effekte wie die gealterten Gehirne in vivo zeigt.
7, 8-Dihydroxyflavon (7, 8-DHF) ist ein natürlich vorkommendes Flavon, welches als hoch affiner selektiver TrkB-Rezeptor-Agonist fungiert und hierdurch wie das Neurotrophin BDNF das Überleben von Neuronen, deren Differenzierung, synaptische Plastizität und Neurogenese vermittelt. In vivo verursacht die orale Gabe von 7, 8-Dihydroxyflavon in Gehirnen alter Tiere eine Abnahme des Isoprenoids GGPP, die Zunahme der prenylierten Membran-gebundenen GTPase Rac1 und eine Reduktion des Gehaltes an Membran-gebundenem Rab3A auf das Niveau der Gehalte in den Gehirnen der jungen Kontroll-Tiere. Das Neurotrophin BDNF interagiert mit dem TrkB-Rezeptor und ist in der Lage direkt an den Rac1-spezifischen GEF Tiam1 zu binden, wodurch dieser aktiviert wird und Veränderungen der zellulären Morphologie der betroffenen Neurone induziert. Während das Alter und die orale Gabe von 7, 8-Dihydroxyflavon in vivo keine Effekte auf die Proteingehalte von BDNF und TrkB in der Tierstudie aufzeigten, konnte eine alterbedingte Reduktion von Tiam1 im Hirngewebe detektiert werden, die wiederum durch 7, 8-Dihydroxyflavon aufgehoben werden konnte.
Die Isoprenoide FPP und GGPP, sowie die Regulation kleiner GTPasen spielen auch eine wichtige Rolle im Zusammenhang mit Veränderungen der APP-Prozessierung in der molekularen Pathogenese der AD. Bei der APP-Prozessierung sind die beiden Sekretasen β- und γ-Sekretase für die Bildung des β-Amyloid-Peptids verantwortlich. In vitro Studien mit dem β-Sekretase-Inhibitor IV und dem γ-Sekretase-Inhibitor DAPT an untransfizierten und APP-transfizierten HEK293 Zellen (HEK293-APP695wt und HEK293-APPsw Zellen) konnten zeigen, dass sowohl die β- als auch die γ-Sekretase an der Regulation der Isoprenoide FPP und GGPP beteiligt sind. FPP und GGPP liegen in APP-transfizierten HEK293 Zellen erhöht vor. Die Inhibition der β-Sekretase führt zur Reduktion von FPP und GGPP. Durch die Inhibition der γ-Sekretase wird ausschließlich FPP reduziert. Weiterhin liegen in APP-transfizierten HEK293 Zellen die Membran-gebundenen prenylierten Rho-GTPasen Rac1, Cdc42 und RhoA erhöht vor. Das Membran-gebundene prenylierte H-Ras kommt jedoch in APP-transfizierten Zellen im Vergleich zu untransfizierten HEK293 Zellen in deutlich niedrigeren Mengen vor. Die Inhibition der β-Sekretase bedingt die Reduktion von Membran-gebundenem prenylierten Rac1 und auch von Membran-gebundenem H-Ras in HEK293-APPsw Zellen.
Veränderungen von Signaltransduktionswegen, die durch kleine GTPasen vermittelt werden, haben sich auch bei der GBM als zentraler Teil der molekularen Pathogenese herausgestellt. Hierbei ist die Prenylierung durch FPP und GGPP die Voraussetzung für die Membran-Insertion und onkogenen Funktion der Ras- und Rho-Proteine über die Stimulierung des Ras-Raf-MEK-ERK Signalweges. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass der HMG-CoA-Reduktase Inhibitor Lovastatin die Bildung der beiden Isoprenoide FPP und GGPP in U87 und U343 Glioblastoma Zellen verringert und hierdurch die Isoprenylierung von H-Ras und Rac1 reduziert. Das natürlich vorkommende Monoterpen Perrilylalkohol hingegen inhibiert die Prenyltransferasen FTase und GGTase und verändert dadurch die post-translationale Prenylierung der GTPasen Rac1 und H-Ras in U87 und U343 Zellen ohne die Isoprenoide FPP und GGPP signifikant zu beeinflussen. Jedoch bewirkt Perillylalkohol in U343 Zellen eine Erhöhung des GGPPs. Beide Substanzen bewirkten die Reduktion der ERK-Phosphorylierung und der Migration, Invasion und Proliferation der untersuchten U87 und U343 Glioblastoma Zellen.
The focus of this thesis is the integral membrane protein Escherichia coli diacylglycerol kinase (DGK). It is located within the inner membrane, where it catalyzes the ATP-dependent phosphorylation of diacylglycerol (DAG) to phosphatic acid (PA). DGK is a unique enzyme, which does not share any sequence homology with typical kinases. In spite of its small size, it exhibits a notable complexity in structure and function. The aim of this thesis is the investigation of DGK’s structure and function at an atomic level directly within the native-like lipid bilayer using MAS NMR. This way, a deeper understanding of DGK’s catalytic mechanism should be obtained.
First, the preparation of DGK was optimized, leading to a sample, which provides well-resolved MAS NMR spectra. The high quality MAS NMR spectra formed the foundation for the second step, the resonance assignment of DGK’s backbone and side chains. The assignment was performed at high magnetic field (1H frequency 850 MHz). The sequential assignment of immobile domains was carried out using dipolar coupling based 3D experiments, NCACX, NCOCX and CONCA. The measurement time could be reduced by paramagnetic doping with Gd3+-DOTA in combination with an E-free probehead. The sequential assignment was mainly performed using a uniformly labelled sample (U-13C,15N-DGK). Residual ambiguities could be resolved by reverse labelling (U-13C,15N-DGK-I,L,V). Resonances could be assigned for 82% of the residues, from which 74% were completely assigned. For validation, ssFLYA was applied, which is a generally applicable algorithm for the automatic assignment of protein solid state NMR spectra. Its principal applicability for demanding systems as membrane proteins could be proven for the first time. Overall, ~90% of the manually obtained assignments could be confirmed by ssFLYA. For the completion of DGK’s assignment, J-coupling based 2D experiments, 1H-13C/15N HETCOR and 13C-13C TOBSY, were carried out to detect highly mobile residues. This way, residues of the two termini and the cytosolic loop, which were not detectable by dipolar coupling based experiments, could be assigned tentatively. Whereupon, peaks for arginine and lysine were assigned unambiguously to Arg9 and Lys12. Overall, ~84% of the residues could be assigned by the applied NMR strategy. Furthermore, a secondary structure analysis was carried out. It showed substantial similarities between wild-type DGK, its thermostable mutant determined both by MAS NMR and the crystal structure of wtDGK. However, there are few differences around the flexible regions most likely caused by the high mobility of these regions. During the assignment procedure, no systematic peak doublets or triplets were detected, indicating that the DGK trimer adopts a symmetric conformation. This is in contrast to the X-ray structure, which shows asymmetries between the three subunits. Especially, crystal packing may be a potential source for these structural asymmetries.
On the basis of the nearly complete assignment of DGK, the apo state was compared with the substrate bound states. Perturbations in peak position and intensity of the substrate bound states were analysed for all assigned residues in 3D and 2D spectra. The nucleotide-bound state was emulated by adenylylmethylenediphosphonate (AMP-PCP), a non-hydrolysable ATP analogue, whereas the DAG-bound state was mimicked by 1,2-dioctanoyl-sn-glycerol (DOG, chain length n = 8). Upon nucleotide binding, extensive chemical shift perturbations could be observed. These data provide evidence for a symmetric DGK trimer with all of its three active sites concurrently occupied. Additionally, it could be demonstrated that the nucleotide substrate induces a substantial conformational change. This most likely supports the enzyme in binding of the lipid substrate, indicating positive heteroallostery. In contrast, the overall alterations caused by DOG are very minor. They involve mainly changes in peak intensities. For DGK bound with either AMP-PCP+DOG or only AMP-PCP, a similar spectral fingerprint was observed. This implies that binding of the nucleotide seems to set the enzyme into a catalytic active state, triggering the actual phosphoryl transfer reaction.
The investigation of DGK’s remarkable stability and the cross-talk between its subunits forms the last part of this thesis. This demands for the identification of key intra- and interprotomer contacts, which are of structural or functional importance. For this purpose, 13C-13C DARR and 2D NCOCX spectra with long mixing times were recorded using high field MAS NMR. Additionally, DNP-enhanced 13C−15N TEDOR experiments were conducted on mixed labelled DGK trimers to enable the visualization of interprotomer contacts. With the applied NMR strategy, intra- (Arg32 - Trp25/ Glu28/ Ala29 and Trp112 - Ser61) and interprotomer (ArgNn,e - AspCg/ GluCd/ AsnCg) long-range interactions could be identified.
As central component of the peptide loading complex, the ABC transporter TAP is a key player in the adaptive immune response. By recognizing and translocating antigenic peptides derived from proteasomal degradation into the ER lumen it connects the processing of harmful intruders and the marking of an infected cell for elimination. This work focused mainly on the interaction between TAP and one of its viral inhibitors. Of the five known TAP inhibitors, ICP47 is the only one that is not anchored in the ER membrane and has a nonomolar affinity to TAP. These properties and its specific architecture make it an interesting protein engineering tool that can be used in a variety of ways to generate functionally arrested TAP complexes. Different lengths of ICP47 were chosen to map the optimal distance between the binding pocket and the N-terminal elbow helix of either TAP1 or TAP2. I demonstrated that the interaction of fused ICP47 with coreTAP inhibits antigen presentation via MHC I. Interestingly, the loss of MHC I surface expression only depended on the presence of the active domain and not on the length of the fused ICP47 fragments. Summarizing it can be said that TAP complexes containing an intact active domain of ICP47 successfully suppressed MHC I surface expression. Considering the MHC I surface expression in the use of free ICP47 fragments it was revealed that the active domain may not be sufficient. All free constructs, except the one that contains exclusively the active domain (1-35), were able to fully arrest peptide translocation, while the fragment 1-35 partially restored MHC I surface expression. This was the first evidence suggesting that more residues might be present in the ICP47 sequence that contribute to the interaction with TAP.
Further characterization of the ICP47-coreTAP fusion complexes comprised the determination of their thermostability and melting temperatures. The ICP47-coreTAP fusion complexes revealed a preferred orientation for ICP47. The ICP47(1-65) fragment led to a stable complex only if fused to TAP2, highlighting an interesting asymmetry at the TAP1/TAP2 interface, which suggests a shorter distance of the C-terminus of the stabilizing region to the elbow helix of TAP2 than of TAP1. The shorter fragments 1-35 and 1-50, and the ICP47 linker fragments, which inhibited, but did not trigger any thermostabilizing effects on TAP, revealed a second hint for the presence of other residues important for the ICP47/TAP interaction. To define the thermostability in more detail, the melting temperature of complexes with fused or freely bound ICP47 fragments was determined. Short fused fragments of ICP47 (residues 1-35 or 1-50) did not fully stabilize the TAP complex. Only ICP47 fragments longer than residues 1-50 raised the melting temperature to the full extent and led to a completely stabilized complex, suggesting that the critical melting temperature, which determines whether a complex is fully stabilized or not, is about 44-45°C. By comparing different ICP47 proteins from the herpesviral clade, I further noticed that the 21 residues following the active domain are highly conserved. The residues in this region were exchanged by glycines and alanines to study their impact on the thermostabilization of TAP. I demonstrated that several charged residues, an alanine rich, and a proline rich sequence were mainly responsible for the preservation of high melting temperatures. In summary, these findings reveal a dual inhibition mechanism of ICP47. While the active domain of ICP47 is wedged at the TAP1/2 interface and arrests the complex in an open-inward facing conformation, the highly conserved C-terminal region stabilizes the ICP47/TAP interaction and generates a thermostabilized TAP complex.
The second part of this thesis deals with two alternative expression and stabilization strategies for coreTAP, designed to provide a 1:1 ratio of TAP subunits during protein biosynthesis. Different glycine-serine (GS) linkers and a self cleaving 2A site were im- plemented into the TAP sequence and used for comparison with the classical coreTAP. Despite their functionality in antigen translocation, the utilization of GS linkers proved to be unsuitable due to low expression and scarce purification efficiency caused by the unfeasible orthogonal purification. In contrast, the use of a 2A site allowed orthogonal His10- and SBP-tag purification and yielded comparable amounts to the classical coreTAP. However, the ICP47/coreTAP interaction appeared to be hampered by the modified N-terminus of ICP47, due to the cleavage process.
The third and last part of this work deals with the Thermus thermophilus ABC trans- porter TmrAB, which was identified to be part of the same ABC subfamily as TAP. The structure of TmrAB is similar to that of coreTAP and includes a TMD and an NBD for each subunit. In comparison to TAP, TmrAB has a broader substrate range, but it can transport peptides, which are also transported by TAP. Since the natural substrate, and thus the actual function, of TmrAB has not yet been identified, it is counted among the multidrug resistance ABC transporters, from where it also takes its name. In this work, the question was investigated whether TmrAB can be utilized as a TAP substitute. To compare the function of TmrAB and TAP in a natural cell environment, the N-terminal domains of the TAP subunits called TMD0s were fused to the TmrAB subunits and subsequently expressed as different combinations. I found that especially the hybrid complexes containing a TMD0 of TAP2 were functional in terms of MHC I surface expression. Furthermore, TmrAB with TMD0 co-localized prevalently with the ER marker PDI while complexes without TMD0 did not co-localize. Interestingly, the analysis of the interaction with components of the PLC revealed that interaction with tapasin could only occur when a TMD0 was present. In turn, calreticulin, MHC I, and ERp57 were bound, regardless of the presence of a TMD0. It is remarkable that a bacterial protein, sharing only 27-30% sequence identity with human TAP is able to take over a key function of our adaptive immune system. Yet, TmrAB originates from a hyperthermophilic bacterium and may have assembly and folding difficulties that the human cell seeks to overcome by recruiting chaperones like calreticulin and ERp57. Although further experiments will be necessary to analyze the interaction of TmrAB with the PLC components in more detail, TmrAB appears to be homologous to coreTAP, not only in terms of sequence and structure, but also in terms of function.
In this research project we aimed to generate genetically modified megakaryocytes and platelets, by targeting protein expression to their secretory alpha-granules to delivery ectopic or therapeutic proteins, to be stored and kept there until an external stimulus triggers platelet activation and platelet secretion takes place. During platelet activation, the therapeutic proteins would then be released to the extracellular space, either as a soluble protein or exposed as a transmembrane protein on the cell surface of platelets. For long-term approaches, genetic modifications must be introduced at the hematopoietic stem cell level.
AIMS: As first approach, we aimed to characterize the lineage-specificity of expression of six different promoter fragments in lentiviral vectors: the murine platelet factor 4 (mPf4) 1222 bp (-1074 to +148), human glycoprotein Ib alpha (hGP1BA) 595 bp (-265 to +330), a short and a longer fragment of the human glycoprotein 6 (hGP6 / hGP6s) 351 bp (-322 to +29) / 726 bp (-697 to +29), as well the human glycoprotein 9 (GP9) promoter 794 bp (-782 to -12). These promoter fragments were included as internal cellular promoters in self-inactivating lentiviral vectors (SIN), using an enhanced green fluorescent protein (eGFP) as gene reporter. GFP detection was evaluated in vitro (in transduced non-megakaryocitc blood cell progenitors and in-vitro differentiated megakaryocytes) and in vivo (Bone marrow cells, blood cells and spleen cells). For targeting of proteins to the secretory alpha granules of megakaryocytes and platelets, we followed two strategies: A) The sorting signal of the cytokine RANTES was fused N-terminally to the destabilized GFP, d2eGFP (RANTES. d2eGFP), to deliver the protein into the granules as soluble cargo. B) The transmembrane granular targeting sequence of P-selectin (the transmembrane domain and cytoplasmic tail (referred as TDCT) was fused to d2eGFP or the B domain deleted codon optimized human coagulation Factor VIII cDNA (referred as BDcohFVIII_TDCT or FVIII_TDCT), to deliver the protein into the membrane of alpha granules. These two strategies were tested in-vitro, from transduced differentiated megakaryocytes in liquid cultures, and in-vivo, by analysis of genetically modified platelets by means of Laser Scanning Confocal Microscopy (LSM) in colocalization analysis (performed at the single cell level) and fluorescence intensity analysis.
RESULTS: GFP expression in blood cells from transplanted mice was significantly higher in platelets, with a smaller background promoter activity in leukocytes and erythrocytes. The highest expression was observed from the mPf4-vector, followed by hGP1BA, hGP6 and hGP6s vectors, identifying the hGP6 vectors as the most restricted to the megakaryocyte and platelet lineage. Analysis in bone marrow cells showed that hGP6-vectors have the lowest activity in the hematopoietic stem and progenitor cells (HSPC) with less than 10% of GFP positive stem cells. Surprisingly, the mPf4 and hGP1BA vectors were both highly active in the HSPC, in a range of 20 to 70% of GFP-positive cells. Polyploidization in later stages of MK-maturation of in-vitro Mks differentiated from Mpl-/- lineage marker negative cells were recovered after gene transfer of the thrombopoietin receptor Mpl, under the control of MK-specific vectors in differentiated into MKs. These results were corroborated in in-vivo analysis, where Mpl-/- mice transplanted with lin-BM cells transduced with the mPf4.Mpl and hGP6.Mpl vectors, showed significantly elevated platelet counts compared to control mice transplanted with a GFP-encoding control vector (PGK-GFP). In the Fluorescent intensity and colocalization analysis of transduced megakaryocytes with the targeting vectors, we observed a significant difference in the GFP targeting compared with those MK transduced with the non-targeting vectors. The median of the WCC values observed from the RANTES.d2eGFP targeting vector was 0.8 (80 % of colocalization) with P-selectin stained granules, and 0.7 (70%) with von Willebrand Factor stained granules. In the case of the non-targeting vector SFFV.d2eGFP the median of the WCC observed were <0.3 (30%) both in P-selectin and von Willebrand Factor stained granules. We observed as well that the GFP signal of MK transduced with the P-selectin.d2eGFP fusion overlapped the signals emitted by P-selectin and von Willebrand factor stained granules, not just in LSM-digitalized images but in the fluorescens intensity analysis as well, indicating a clear signal of GFP colocalization. Likewise, an evident signal overlap between the targeted FVIII (FVIII_TDCT) with the P-selectin / von Willebrand marker was observed. Colocalization and fluorescens intensity analysis performed on activated platelets from transplanted mice with the targeting vectors, corroborated what was previously observed in in-vitro megakaryocytes. The genetic modification of megakaryocyte and platelets will allow in the furture, not just the development of new generation of cells with advanced functions, but it will help us to elucidate new mechanisms and pathways of important cellular processes, by modifying cell function and cell interactions.
All lifeforms have to sense changes in their environment and adapt to possibly detrimental conditions. On a cellular level, the highly elaborate proteostasis network (PN) consisting of housekeeping and stress-induced proteins, confers this tolerance against stress and maintains cellular protein homoestasis. This is essential for survival, as an accumulation of stress-induced protein aggregation will eventually affect the functionality of crucial cellular components and ultimately lead to cell death. The guardians of this balance are the molecular chaperones and their activity-regulating co-haperones. They are engaged in all aspects of protein biogenesis, maintenance and degradation, especially during stress.
The heat shock proteins (HSPs) are the major chaperones in mammals and encompass constitutive and stress-induced isoforms. Among them, the HSP70 and the HSP90 family are the most abundant HSPs and their activity is involved in a great variety of homoestasis and stress-induced tasks.
As part of the protein triage the E3 ligase CHIP (C-terminal HSC70-interacting protein) is an essential activity regulating co-chaperone of HSP70 and HSP90 which provides a link between chaperone mediated protein-folding and various degradation pathways. Due to its decisive function, CHIP is involved in a wide array of cellular processes, especially in clearing misfolded HSP70 client proteins that are prone to aggregate. As a consequence, CHIP was reported to confer protection against many aggregation-induced pathologies of the neuronal system. Additionally, CHIP has been identified as a critical factor in various types of cancer and is implied to affect the development and the longevity of mammals.
Despite the significant progress in the understanding of CHIP’s structure and function, many aspects surrounding its chaperone dependency and its substrate recognition remain unclear. Moreover, due to the variety of substrates in diverse cellular pathways, there are yet many connections to elucidate between CHIP and components of the cellular proteostasis network.
The work of this thesis was focused on the role of CHIP in acute stress response and the corresponding status of chaperone association. Moreover, it was investigated if CHIP, as the connecting ligase of folding and degradation systems, might also provide a link between the PN and the reorganisation of the cellular architecture upon stress exposure.
This has become of increasing interest as recent reports highlight the importance of spatial sequestration in protein quality control.
To this end, subcellular distribution of CHIP was analysed by live-cell microscopy during heat stress. It became obvious that during the heat-induced challenge of the chaperone system, CHIP migrated to new cellular sites. Further experiments suggested that the observed migration to the plasma membrane is a chaperone-independent process and in vitro reconstitution of membrane association confirmed the competitive nature of membranes and chaperones for CHIP binding. A detailed in vivo and in vitro analysis of the newly observed membrane association of CHIP revealed a distinct lipid specificity and a novel direct association with lipids. Binding experiments with recombinantly purified deletion mutants of CHIP identified the TPR domain and a positive patch in the coiled-coil domain as main determinants for the lipid association. Through biochemical and biophysical approaches, the structural integrity and functionality of CHIP upon membrane binding was confirmed and further characterised.
Moreover, mass spectrometry analysis provided a high confidence identification of chaperone-free interactors of CHIP at the plasma membrane and other membranous compartments.
In accordance with the lipid specificity, the Golgi apparatus was one of these sites. Only chaperone-free CHIP had a significant effect on the morphology of the organelle, again confirming the competitive role of chaperones and lipids. With respect to the physiological consequences of the changed localisation of CHIP, preliminary results indicated increased cell death when the ligase localises to cellular membranes. The results lead to the conclusion that CHIP acts as an initiator of early stress adaptation and as a sensor for the severity and strength of the stress reaction.
Objectives Supersaturating formulations hold great promise for delivery of poorly soluble active pharmaceutical ingredients (APIs). To profit from supersaturating formulations, precipitation is hindered with precipitation inhibitors (PIs), maintaining drug concentrations for as long as possible. This review provides a brief overview of supersaturation and precipitation, focusing on precipitation inhibition. Trial-and-error PI selection will be examined alongside established PI screening techniques. Primarily, however, this review will focus on recent advances that utilise advanced analytical techniques to increase mechanistic understanding of PI action and systematic PI selection.
Key Findings. Advances in mechanistic understanding have been made possible by the use of analytical tools such as spectroscopy, microscopy and mathematical and molecular modelling, which have been reviewed herein. Using these techniques, PI selection can instead be guided by molecular rationale. However, more work is required to see wide-spread application of such an approach for PI selection.
Conclusions PIs are becoming increasingly important in enabling formulations. Trial-and-error approaches have seen success thus far. However, it is essential to learn more about the mode of action of PIs if the most optimal formulations are to be realised. Robust analytical tools, and the knowledge of where and how they can be applied, will be essential in this endeavour.
Supersaturating formulations are widely used to improve the oral bioavailability of poorly soluble drugs. However, supersaturated solutions are thermodynamically unstable and such formulations often must include a precipitation inhibitor (PI) to sustain the increased concentrations to ensure that sufficient absorption will take place from the gastrointestinal tract. Recent advances in understanding the importance of drug-polymer interaction for successful precipitation inhibition have been encouraging. However, there still exists a gap in how this newfound understanding can be applied to improve the efficiency of PI screening and selection, which is still largely carried out with trial and error-based approaches. The aim of this study was to demonstrate how drug-polymer mixing enthalpy, calculated with the Conductor like Screening Model for Real Solvents (COSMO-RS), can be used as a parameter to select the most efficient precipitation inhibitors, and thus realise the most successful supersaturating formulations. This approach was tested for three different Biopharmaceutical Classification System (BCS) II compounds: dipyridamole, fenofibrate and glibenclamide, formulated with the supersaturating formulation, mesoporous silica. For all three compounds, precipitation was evident in mesoporous silica formulations without a precipitation inhibitor. Of the nine precipitation inhibitors studied, there was a strong positive correlation between the drug-polymer mixing enthalpy and the overall formulation performance, as measured by the area under the concentration-time curve in in vitro dissolution experiments. The data suggest that a rank-order based approach using calculated drug-polymer mixing enthalpy can be reliably used to select precipitation inhibitors for a more focused screening. Such an approach improves efficiency of precipitation inhibitor selection, whilst also improving the likelihood that the most optimal formulation will be realised.
Viele Studien konnten in den letzten Jahren aufzeigen, dass Stickstoffmonoxid (NO)/cGMP-Signaling eine wichtige Rolle in der Verarbeitung chronischer Schmerzprozesse einnimmt. Bei Verletzung peripherer Nerven oder Entzündung im Gewebe wird NO gebildet, das durch Stimulation der NO-sensitiven Guanylatzyklase (NO-GC) die cGMP-Bildung katalysiert. Seit einigen Jahren ist bekannt, dass zwei Isoformen dieses Enzyms existieren, NO-GC1 und NO-GC2. Das Expressionsmuster der beiden Isoformen im nozizeptiven System und der jeweilige Einfluss auf die Schmerzverarbeitung ist jedoch bisher völlig unbekannt. In dieser Arbeit wurde die Expression der NO-GC1 und NO-GC2 in den Spinalganglien (DRGs) und im Rückenmark von Mäusen charakterisiert und das Verhalten von NO-GC1 und NO-GC2 Knockout (KO)-Mäusen in verschiedenen Schmerzmodellen untersucht. Mit Immunfluoreszenzfärbungen und In-situ-Hybridisierungen wurde in dieser Arbeit dargestellt, dass die zwei Isoformen in Interneuronen des Rückenmarks lokalisiert sind, wobei die NO-GC1 vorwiegend in inhibitorischen Interneuronen exprimiert wird. In den DRGs konnte die Expression in nicht-neuronalen Zellen nachgewiesen werden, wobei nur die NO-GC2 in Satellitenzellen detektiert werden konnte. Die NO-GC1 KO-Mäuse zeigten eine verringerte mechanische Hypersensitivität in neuropathischen Schmerzmodellen, aber ein normales Verhalten in Modellen inflammatorischer Schmerzen. Im Gegensatz zu diesen Ergebnissen zeigten die NO-GC2 KO-Mäuse ein erhöhtes Schmerzverhalten in Entzündungsmodellen, aber kein verändertes Verhalten in Modellen neuropathischer Schmerzen. Die gezielte Deletion der NO-GC1 und NO-GC2 in Interneuronen des Rückenmarks führte in den entsprechenden Tieren zu Verhaltensänderungen in der Schmerzwahrnehmung, die den Phänotypen der globalen NO-GC KO-Tieren in Schmerzmodellen ähnelte. Zusammengefasst zeigen die Daten dieser Arbeit, dass die NO-GC1- oder NO-GC2-vermittelte cGMP-Produktion in Interneuronen des Rückenmarks sehr wichtige, und teilweise gegensätzliche Funktionen bei der Verarbeitung chronischer Schmerzsignale einnimmt.
Im Rahmen dieser Arbeit sollte der tonische BZR-Signalweg im Burkitt Lymphom näher untersucht werden. Ziel war die Identifizierung von Zielstrukturen, die für die Zellen essentiell für die Aufrechterhaltung des tonischen Signalwegs sind und gleichzeitig die Viabilität der Zellen fördern. Durch die Identifizierung noch unbekannter Zielstrukturen wäre man in der Lage, neue Behandlungsstrategien zu entwickeln oder bereits bestehende zu optimieren. Des Weiteren sollte die Signaltransduktion in der B-ALL, die über einen Vorläufer des BZRs, dem prä-BZR vermittelt wird, hinsichtlich eines tonischen Überlebenssignals untersucht werden.
Durch massenspektrometrische Analysen der tonischen BZR-Signaltransduktion im Burkitt Lymphom, die für die Viabilität der Zellen essentiell ist und die Ergebnisse eines Inhibitorscreens konnte HSP90 als potenzielle neue Zielstruktur im Burkitt Lymphom identifiziert werden.
So konnte gezeigt werden, dass Burkitt-Lymphom-Zellen nach Inhibition der Chaperonfunktion von HSP90 durch zwei auf dem Markt bereits verfügbare Inhibitoren einen Zellzyklusarrest erfahren, der letztlich zur Apoptose der Zellen führt. Dieser Effekt wurde auf einen Verlust des (tonischen) BZR-Signals zurückgeführt, der überwiegend durch den aktiven lysosomalen Abbau von SYK nach HSP90-Inhibition zustande kommt. Demnach führte die Überexpression einer HSP90-resistenten Variante von SYK (TEL-SYK) zu einer Aufhebung der apoptotischen Effekte nach HSP90-Inhibition. Zudem wurde SYK als Interaktionspartner von HSP90 (HSP90-Klientprotein) im Burkitt Lymphom und die für die Interaktion essentielle Phosphorylierungsstelle (pY197 in HSP90α bzw. pY192 in HSP90β) identifiziert bzw. validiert.
Das therapeutische Potenzial der HSP90-Inhibitoren im Burkitt Lymphom offenbarte sich ferner durch den Vergleich der Wirkungseffektivität in gesunden B-Zellen mit der in Tumorzellen. So zeigten HSP90-Inhibitoren eine erhöhte Affinität zu Tumorzellen. Bei verwendeten Konzentrationen der Inhibitoren, die bereits eine apoptotische Wirkung in Tumorzellen hervorriefen, waren gesunde B-Zellen resistent.
In der B-ALL konnte durch den Knockdown von CD79a und der Inhibition von SYK eine tonische Antigenrezeptor-Signalleitung identifiziert werden, die wie im Burkitt Lymphom über den PI3K/AKT-Signalweg vermittelt wird. Durch die Kombination der im Rahmen dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse und weiterführende Analysen (wie zum Beispiel durch Inhibitor- oder CRISPR/Cas-Screens) kann so eine Identifizierung von potenziellen Zielstrukturen mit therapeutischem Nutzen in der B-ALL erfolgen.
Zur Behandlung von chronisch entzündlichen Erkrankungen besteht nach wie vor ein dringendes medizinisches Bedürfnis, da die bisher eingesetzten Medikamente gerade in der Langzeittherapie zu schwerwiegenden Nebenwirkungen führen können. Um chronisch entzündliche Erkrankungen in Zukunft adäquat therapieren zu können, sind bereits verschiedene neuartige Ansätze in klinischer bzw. präklinischer Entwicklung. Ein möglicher Ansatz besteht in einer dualen Hemmung der mikrosomalen Prostaglandin E2 Synthase-1 (mPGES-1) und der 5-Lipoxygenase (5-LO). Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Struktur-Wirkungs-Beziehungen (SAR) von zwei verschiedenen Leitstrukturen an der 5 LO und der mPGES 1 untersucht. Die erste Leitstruktur entstammt aus den Arbeiten von Waltenberger et al. und besitzt im Grundgerüst eine Sulfonamidstruktur. In dieser Arbeit ist es gelungen, durch eine gezielte Untersuchung der Struktur-Wirkungsbeziehungen, die Leitstruktur I an der 5 LO und der mPGES-1 in ihrer Potenz zu optimieren. Die Leitstruktur (IC50: 5-LO (zellfrei) = 5.7 µM, IC50: 5 LO (PMNL) = 3.7 µM, IC50: mPGES-1 = 4.5 µM) konnte durch Variation in allen drei Positionen modifiziert werden, so dass die optimierte Struktur 170 (IC50: 5-LO (zellfrei) = 2.3 µM, IC50: 5-LO (PMNL) = 0.4 µM, IC50: mPGES-1 = 0.7 µM) entstanden ist. Für die Verbindung 170 wurden die pharmakokinetischen Eigenschaften, wie Löslichkeit und metabolische Stabilität, sowie der Wirkmechanismus auf molekularer Ebene bestimmt. Ebenso konnte für Verbindung 170 auch in vivo anti-entzündliche Eigenschaften festgestellt werden.
Die zweite Leitstruktur stammt ebenfalls aus den Arbeiten von Waltenberger et al. und besitzt im Grundgerüst eine Mercaptobenzothiazol-Grundstruktur. Aufgrund der Ähnlichkeit zu den bekannten Pirinixinsäurederivaten wurde auch hier für die Untersuchung der Struktur-Wirkungs-Beziehungen zunächst eine Kettenverlängerung an der Alkylkette vorgenommen. Es ließ sich auch hier durch eine gezielte SAR, die Leitstruktur bis hin zum submikromolaren Bereich in Verbindung 219 optimieren. Gleichzeitig ist es gelungen in Verbindung 219 einer der am potentesten dual ausgeglichensten dualen 5 LO/mPGES-1 Inhibitoren zu identifizieren.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in dieser Arbeit es gelungen ist durch gezielte Untersuchungen der Struktur-Wirkungs-Beziehungen zwei verschiedene Substanzklassen zu dualen 5-LO/mPGES-1 Inhibitoren zu optimieren. Ebenso konnte für Substanz 170 auch in vivo anti-entzündliche Eigenschaften festgestellt werden. Diese Arbeit soll dazu beitragen, das therapeutische Potential von dualen 5-LO/mPGES-1 Inhibitoren als anti-entzündliche Wirkstoffe in Zukunft besser einschätzen zu können.
Translation is a universal process in all kingdoms of life and organized in a cycle that requires ribosomal subunits (40S and 60S), messenger RNA (mRNA), aminoacylated transfer RNAs (tRNAs), and a myriad of regulatory factors. As soon as translation reaches a stop codon or stalls, a termination or surveillance process is launched via release factors eRF1 or Pelota (Dom34), respectively. The ATP-binding cassette (ABC) protein ABCE1 interacts with release factors at the ribosomal A-site and coordinates the recycling process in Eukarya and Archaea. Two asymmetric nucleotide-binding sites (NBSs) control and execute the ribosome splitting upon dimerization and closure of the two nucleotide-binding domains (NBDs).
Ribosome nascent chain complexes (RNCs), ABCE1, and Dom34 from S. cerevisiae were produced for the reconstitution of splitting assays in order to probe for ABCE1’s actions in the splitting process with its native substrate. Translating ribosomes were stalled in vivo in a no-go situation on truncated mRNAs by a 3´-ribozyme motif that generates truncated mRNAs. The initiated decay mechanisms were circumvented by genomic deletion of the release factor Dom34 (Pelota) of the no-go decay machinery. The mRNA coded for an N terminal affinity purification tag (His-tag) and the green fluorescent protein (GFP) as a reporter of the translated nascent chain in the ribosomal complexes. RNCs were successfully in vivo stalled, enriched, and purified. In native gels, the reconstituted splitting experiments were analyzed by separation of RNCs, ribosomal subunits, and nascent chain-tRNA complexes based on the fluorescence readout of the GFP reporter. In addition, the anti-association factor eIF6 was added in the splitting reaction because it blocks the immediate re-association of ribosomal subunits after splitting. The anti-association activity of eIF6 was probed by an anti-/re-association assay, in which ribosomes are anti-associated by high salt and low magnesium conditions and in a second step re-associated. The re-association can be blocked by binding of eIF6 and other anti-associating factors to the ribosomal intersubunit sites. This approach allowed for the discovery of an anti-association activity of ABCE1 that was dependent on the non-hydrolysable ATP analog AMP-PNP. In addition, the formed complex between 40S and ABCE1 represented formally a post-splitting intermediate.
In collaboration with the Beckmann lab, the structure of the post-splitting complex was reconstructed at 3.9 Å. The ABC system of ABCE1 is fully closed and its N-terminal iron-sulfur (FeS) cluster domain is rotated by 150-degree to a cleft at helix 44 and uS12. The FeS cluster domain is stabilized by interactions of Pro30 to uS12, Arg7 to helix 5, and the cantilever arm that links it to NBD1. Tyr301 of NBD1 stabilizes the FeS cluster domain in the rotated position by interaction to the backbone of the cantilever arm. Upon transition to the post-splitting state, the FeS cluster domain must clash with the release factor and push it in between the ribosomal subunits like a wedge and split the ribosome. In addition, in the post-splitting state, the FeS cluster domain would putatively clash with uL14 of the large ribosomal subunit, and this is the structural explanation for the anti-association effect of ABCE1. In Archaea, a similar conformation of the post-splitting complex was reconstructed in collaboration with the Beck and Beckmann labs and Kristin Kiosze-Becker and Elina Nürenberg-Goloub. Based on the high-resolution structure of the post-splitting complex, the post-splitting state of ABCE1 was identified in the 43S initiation complex 40S–ABCE1–tRNA–eIF2–eIF3. Subsequently, we proposed the post-splitting complex as a platform for initiation.
In the quest to elucidate conformational dynamics of ABCE1, a reconstituted system was established to study conformational dynamics in real-time. Single-molecule Förster resonance energy transfer (smFRET) was used for the relative distance detection between a donor and acceptor fluorophore. A cysteine-less ABCE1 variant was engineered with additional cysteines for fluorescent labeling by thiol-maleimide-coupling. In collaboration with Philipp Höllthaler, the double-cysteine variants were labeled for smFRET studies and alternating-laser excitation (ALEX) smFRET measurements were performed with ABCE1 and the small ribosomal subunit. ABCE1’s nucleotide-dependent NBD dimerization and FeS cluster domain rotation was determined in real-time. Finally, a higher opening and closing frequency of the NBDs was discovered than the determined ATPase rate. This observation could be explained by the hypothesis of elastic dimerization that is not immediately connected to ATP hydrolysis.
The multistep-processes leading to the formation of tumors have been extensively studied in the past decades, leading to the identification of “hallmarks of cancer”. They are characteristic changes in biological processes that discriminate tumor cells from healthy cells. Increasing knowledge on the molecular structures associated with tumorigenesis allowed their specific inhibition in targeted anti-cancer therapy. However, successful targeted anti-cancer therapy is only available for a limited subset of diseases, so the continuous investigation of tumorigenic mechanisms is required to tackle the immense diversity of neoplastic entities.
AVEN and FUSE binding protein 1 (FUBP1) display the ability to regulate apoptosis and cell cycle progression. Thus, the proteins are associated with hallmarks of cancer (resisting cell death and uncontrolled proliferation). Indeed, aberrant expression of AVEN and FUBP1 could be demonstrated in multiple cancers. In contrast, there is only little knowledge on the physiological function of AVEN and FUBP1. The lack of knowledge results in part from the embryonic lethality of the homozygous knockout of Aven and Fubp1 in mouse models, limiting the gain of information by analyzing these animals.
In this study, I generated conditional Aven and Fubp1 knockout mice to investigate their physiological function.
By analyzing reporter mice expressing β-galactosidase under the control of the endogenous Aven promoter, I identified Aven promoter activity to be both tissue- and cell type-specific and dependent on the developmental stage. Detecting apoptotic cell death by immunohistochemistry did not reveal increased apoptosis in Aven knockout mice, suggesting a functional role of AVEN besides apoptosis inhibition during embryogenesis.
Basing on the significant Aven promoter activity detected in the adult brain and in the mammary gland, I generated and characterized conditional Aven knockout mice with Aven deletion restricted to cells within the brain or the mammary gland. AVEN depletion in these tissues was not embryonic lethal and the affected tissues displayed a normal histology.
Since aberrant Aven expression had been associated with hematologic malignancies, I also analyzed mice with an Aven knockout in the hematopoietic system. Depletion of AVEN in the blood cells had no effect on hematopoietic stem and progenitor cell frequencies. Consequently, AVEN seems to be dispensable for the maintenance and differentiation of stem, progenitor and mature blood cells, at least as far as the expression of particular differentiation markers was concerned.
As loss of AVEN in the analyzed tissues did not affect the viability of mice and did not produce any other obvious phenotype, the exact role of AVEN that is essential for embryo survival remains to be identified.
To study the oncogenic potential of AVEN, I investigated the role of AVEN in a mouse model for breast carcinogenesis. While AVEN expression seemed to be increased in breast tumors, tumor onset and progression were not altered in mice with depleted AVEN expression in the mammary gland. Consistently, Aven knockout tumor cells were neither less proliferative nor more prone to undergo apoptosis than Aven wildtype tumor cells. Cell culture experiments demonstrated that AVEN expression is upregulated by estrogen. Knockdown of AVEN in the breast cancer cell line MCF-7 slightly increased UV irradiation-induced apoptosis and accelerated metabolism. So while AVEN does not promote development or progression of breast tumors, enhanced AVEN expression in ER+ breast cancers might contribute to chemotherapy resistance.
To study the physiological role of FUBP1, I generated a conditional Fubp1 knockout mouse model. While the insertion of loxP sites into the Fubp1 locus was occasionally embryonic lethal, some mice with a cell type-specific deletion of Fubp1 in hematopoietic cells or EPO receptor expressing cells were born alive. In these mice, frequencies of hematopoietic stem and progenitor cells as well as erythrocytes were unaltered. These results conflict with previous publications. However, compensating mechanisms might be responsible for the discrepancies between the observed phenotypes and reported FUBP1 function.
In cell culture studies, I could demonstrate that the previously reported upstream regulation of FUBP1 by TAL1 depended on an intact GATA motif in the FUBP1 promoter and that binding of GATA1 to the FUBP1 promoter increased during erythropoiesis.
To identify new FUBP1 target genes with relevance for erythropoiesis, I performed differential gene expression analysis in cells with wildtype and depleted FUBP1 expression. RNA-sequencing and PCR-arrays revealed only moderate differences in the expression of genes that are components of the EPO receptor signaling pathway as well as genes associated with apoptosis and proliferation of hematopoietic cells. By regulating the transcription of these genes, FUBP1 could contribute to efficient erythropoiesis.
Objectives: The objective of this review is to provide an overview of PK/PD models, focusing on drug-specific PK/PD models and highlighting their value-added in drug development and regulatory decision-making.
Key findings: Many PK/PD models, with varying degrees of complexity and physiological understanding, have been developed to evaluate the safety and efficacy of drug products. In special populations (e.g. pediatrics), in cases where there is genetic polymorphism and in other instances where therapeutic outcomes are not well described solely by PK metrics, the implementation of PK/PD models is crucial to assure the desired clinical outcome. Since dissociation between the pharmacokinetic and pharmacodynamic profiles is often observed, it is proposed that physiologically-based pharmacokinetic (PBPK) and PK/PD models be given more weight by regulatory authorities when assessing the therapeutic equivalence of drug products.
Summary: Modeling and simulation approaches already play an important role in drug development. While slowly moving away from “one-size fits all” PK methodologies to assess therapeutic outcomes, further work is required to increase confidence in PK/PD models in translatability and prediction of various clinical scenarios to encourage more widespread implementation in regulatory decision-making.
Die Steuerung biochemischer Prozesse oder die Verbesserung von Materialien erfordert zunächst ein tiefgründiges Verständnis über die zugrundeliegenden Systeme. Zur Untersuchung eignet sich Licht als ideales Werkzeug, da hiermit nützliche Informationen über die chemische Struktur, ihre Eigenschaften sowie den zusammenhängenden, schnellen Reaktionsabläufen erhalten werden können. Um die Aufklärung zu erleichtern können kleine, chemische Verbindungen eingeführt werden, welche beispielsweise ein Fluoreszenzmarker, eine photolabile Schutzgruppe oder eine photoschaltbare Verbindung sein können. Von jeweils einem Vertreter dieser Moleküle wurden unterschiedliche Studien durchgeführt, dessen Ergebnisse in dieser Arbeit in insgesamt drei Projekten zusammengefasst werden.
Zunächst wurde die Funktionalität der Helikase RhlB untersucht, die der Familie der DEAD-Box Proteine zugeordnet wird, und RNA-Duplexe in ihre Einzelstränge entwindet. Als RNA-Modellduplex diente JM2h, an dem ein RNA-Einzelstrang fluoreszenzmarkiert war (M2AP6). Die Einführung dieses Markers ermöglichte die Durchführung von statischen Fluoreszenzmessungen sowie von Mischexperimenten, die mit Hilfe der stopped-flow-Technik durchgeführt wurden. In den einleitenden Studien wurde die Helikase weggelassen, wodurch der Fokus auf den Fluoreszenzeigenschaften der RNA gelegt wurde. Die Ergebnisse hierzu zeigten, dass die Fluoreszenzintensität des Einzelstrangs durch Zugabe des komplementären Strangs deutlich abnimmt, wobei das Minimum bei einem äquimolaren Verhältnis erreicht wird. Die dazugehörigen stopped-flow-Messungen zeigten eine Beschleunigung der Hybridisierungsreaktion, wenn höhere Konzentrationen des Gegenstrangs in der Lösung vorhanden waren. Nach anschließender Zugabe der Helikase zur Lösung wurde ein Anstieg der Fluoreszenzintensität erwartet, der vom separierten Einzelstrang M2AP6 herrühren sollte. Dieser Anstieg wurde jedoch erst nach weiterer Zugabe von ATP beobachtet, der auf eine ATP-Abhängigkeit der Entwindungsreaktion von RhlB hindeutet. Diese Abhängigkeit wurde auch bereits für andere Helikasen der DEAD-Box Familie entdeckt. Die korrekte Funktionalität sowie die ATP-Abhängigkeit wurden in stopped-flow-Messungen verfiziert, bei denen der Fluoreszenzanstieg auch zeitaufgelöst betrachtet werden konnte. Für die spektralen Korrekturen der Fluoreszenzspektren wurde ein selbstgeschriebenes MATLAB-Programm namens FluCY verwendet (engl.: Fluorescence Correction & Quantum yield), welches eine schnelle und fehlerfreie Verarbeitung des Datensatzes ermöglichte.
Die zwei im folgenden beschriebenen Projekte handeln von photoaktivierbaren Molekülen. Zum einen photolabile Verbindungen, welche die Funktion z.B. eines Biomoleküls durch eine chemische Modifikation deaktivieren können. Durch eine lichtinduzierte Reaktion kommt es zur Abspaltung der Modifikation und die Funktion ist wiederhergestellt. In dieser Arbeit wurden verschiedene photolabile Schutzgruppen untersucht, die denselben Chromophor BIST (BIsStyryl-Thiophen) tragen. Durch die Einführung dieses Chromophors absorbierten sämtliche untersuchte Verbindungen sehr effizient sichtbares Licht (epsilon(445)=55.700 M^(-1) cm^(-1)), wodurch der photoinduzierte Bindungsbruch mit Wellenlängen durchgeführt werden, die bei einer biologischen Anwendungen keinen Schaden an der Zelle anrichten würden. Hieraufhin wurden in statischen und zeitaufgelösten Absorptionsmessungen Teilschritte der Freisetzungsreaktion untersucht, indem nach Photoanregung die Absorptionsänderungen auf verschiedenen Zeitskalen analysiert wurden. Die ultraschnelle Dynamik im Piko- bis Nanosekundenbereich (10^(-12)-10^(-9) s) wird durch eine spektral breite, positive Absorptionsänderng dominiert. Diese impliziert, dass die Deaktivierung über den Triplettpfad abläuft, der die vergleichsweise niedrigen Freisetzungsausbeuten erklärt (phi(u) < 5). Aufgrund des hohen Extinktionskoeffizienten reichen dennoch bereits niedrige Strahlungsdosen aus, um eine Freisetzung zu initiieren. Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt dieser Reaktion ist dem Zerfall des aci-nitro Intermediats zugeordnet. Für ein sekundäres Amin, welches mit BIST geschützt wurde, ist eine Lebensdauer des Intermediats von 71 µs gefunden worden.
In einigen Fällen ist es erwünscht, eine vorliegende Aktivität nicht nur ein-, sondern auch ausschalten zu können, wofür photochrome Verbindungen (oder Photoschalter) verwendet werden. Die in dieser Arbeit untersuchte Verbindung ceCAM ist ein Alken-Photoschalter und vollführt bei Bestrahlung mit Licht eine cis/trans-Isomerisierung. ceCAM ist das Cyanoester-Derivat (ce) von Cumarin-substituierten Allylidenmalonat, von denen beide Konformere sehr effizient sichtbares Licht absorbieren trans: epsilon(489)=50.300 M^(-1) cm^(-1); cis: epsilon(437)=18.600 M^(-1) cm^(-1)). Andere photophysikalische Eigenschaften umfassen u.a. hohe thermische und photochemische Stabilität. Letztere wurde über ein Experiment nachgewiesen, bei dem die lichtinduzierte Isomerisierung alternierend durchgeführt wurde und selbst bei über 250 Zyklen keine signifikate Abnahme der Absorption beobachtet werden konnte. Des Weiteren konnte die Reaktion mit Quantenausbeuten von 39% (trans) und 42% (cis) induziert werden, wobei im photostationären Gleichgewicht auch hohe Isomerenverhältnisse mit bis zu 80% (trans) und 96% (cis) akkumuliert werden konnten. Die Geschwindigkeit der Reaktion wurde mit Hilfe der Ultakurzzeit-Spektroskopie untersucht. Die Dynamik im Zeitbereich von ps-ns zeigte, dass die trans/cis-Isomerisierung unterhalb von 0,5 ns und die umgekehrte Reaktion noch viel schneller (wenige ps) abgeschlossen ist. Durch die Untersuchungen in dieser Arbeit an den BIST-Verbindungen und ceCAM sind viele vorteilhafte, photophysikalische Eigenschaften charakterisiert worden, wodurch sie als verbesserte Alternative zu den bisher bekannten photolabilen Schutzgruppen oder Photoschaltern anzusehen sind.
Cell-free-synthesized voltage-gated proton channels: Approaches to the study of protein dynamics
(2018)
We often only realize how important health is when diseases manifest themselves through their symptoms and, ultimately, in a diagnosis. Over time, we suffer from many diseases starting with the first childhood disease to colds to gastrointestinal infections. Most diseases pass harmlessly and symptoms fade away. However, not all diseases are so harmless. Alzheimer’s disease, breast cancer, Parkinson’s disease, and colorectal cancer usually cause severe illness with high mortality rates. In pharmaceutical research, efforts are therefore being made to determine the molecular basis of them in order to provide patients with potential relief and, at best, healing. A special group of regulators, involved in the previously mentioned diseases, are voltage-gated proton channels. Thus, the understanding of their structure, function, and potential drug interaction is of great importance for humanity.
Voltage-gated proton channels are localized in the cell membrane. As their name indicates, they are controlled by voltage changes. Depolarization of the cell membrane induces conformational changes that open these channels allowing protons to pass through. Here, the transfer is based on a passive process driven by a concentration gradient between two individual compartments separated by the cell membrane. Voltage-gated proton channels are highly selective for protons and show a temperature- and pH-dependent gating behavior. However, little is known about their channeling mechanism. Previous experimental results are insufficient for understanding the key features of proton channeling.
In this thesis, for the first time, the cell-free production of voltage-sensing domains (VSD) of human voltage-gated proton channels (hHV1) and zebrafish voltage-sensing phosphatases (DrVSP) is described. Utilizing the cell free approach, parameters concerning protein stability, folding and labeling can be easily addressed. Furthermore, the provision of a membrane mimetic in form of detergent micelles, nanodiscs, or liposomes for co-translational incorporations of these membrane proteins is simple and efficient. Both VSDs were successfully produced up to 3 mg/ml. Furthermore, the cell-free synthesis enabled for the first time studies of lipid-dependent co-translational VSD insertions into nanodiscs and liposomes. Cell-free produced VSDs were shown to be active, and to exist mainly as dimers. In addition, also their activation was stated to be lipid-dependent, which has not been described so far. Solution-state NMR experiments were performed with fully and selectively labeled cell-free produced VSDs. With respect to the development of potential drug candidates, I could demonstrate the inhibition of the VSDs by 2-guanidinobenzimidazole (2GBI). Determined KD values were comparable to literature data for the human construct. For the first time, a low affinity for 2GBI of the zebrafish VSD could be described.
In future, the combination of a fast, easy and cheap cell-free production of fully or selectively labeled VSDs and their analysis by solution state NMR will enable structure determinations as well as inhibitor binding studies and protein dynamic investigations of those proteins. The results of these investigations will serve as a basis for example for the development of new drugs. In addition, a detailed description of the lipid-dependent activity might be helpful in controlling the function of voltage-gated proton channels in cancer cells and thereby reducing their growth or disturbing their cell homeostasis in general.
Die eingereichte Dissertation liefert fundamentale Erkenntnisse zur Chemie nucleophiler Borzentren, die unter B•B-, B–B- und B=B-Bindungsbildungen reagieren. Zusammen mit den aufgedeckten Prinzipien zu (e–)-induzierten Umlagerungen des 9-Borafluorengrundgerüsts und Übertragungen von Hydridionen liegt nun ein umfassendes mechanistisches Wissen vor, das die effiziente Synthese neuartiger Moleküle ermöglicht. Im Folgenden ist eine Übersicht über bearbeitete Teilprojekte gegeben.
Durch Reduktion des Bis(9-borafluorenyl)methans 7 wurde über [7•]– (B•B-Einelektron-Zweizentrenbindung) und [7]2– (B–B-Zweielektronen-Zweizentrenbindung) das Tetraanion [7]4– dargestellt, das bei Zugabe von Elektrophilen unter Oxidation reagiert.
Die Injektion von Elektronen in das B(µ-H)2B dotierte Dibenzo[g,p]chrysen 12 führt in Abhängigkeit der Natur und der Stöchiometrie des eingesetzten Reduktionsmittels zu unterschiedlichen Hauptprodukten (bordotierte Dibenzo[g,p]chrysen- oder 9,9‘-Bifluorenylgrundkörper) mit verschiedenen Bindungsmodi (B–B-, B=B- oder (µ-H)B-B-Bindungen), deren Entstehung mechanistisch über Gerüstumlagerungen und Hydridübertragungen dargelegt wurde.
Durch die Zugabe etherischer HCl kann die B=B-Bindung in [37]2– quantitativ zu [116]– [(µ-H)B–B] oder 12 (B(µ-H)2B) protoniert werden. Umgekehrt lässt sich das scheinbar hydridische Diboran 12 durch sterisch anspruchsvolle Basen selektiv zu [116]– deprotonieren. Die kleine Base H3CLi führt neben der Deprotonierung von 12 auch zu einem Bis(9-borafluorenyl)methan, das ein verbrückendes Hydridion trägt ([125]–). Der Mechanismus wurde detailliert untersucht (z. B. wurde eine C–H-Aktivierung aufgeklärt), was u. a. genutzt werden konnte, um einen atomökonomischen Pfad von [37]2– zu [125]– zu etablieren.
Die Intermediate [132Cn,X]– (formale Addukte eines 9-Borafluorenyl-Anions an borständig substituierte 9-Borafluorene), gebildet durch die Zugabe von Halogenalkanen zu [37]2–, reagieren in Abhängigkeit der borständigen Alkylkette unter: (i) intramolekularer C–H-Aktivierung, (ii) intramolekularer Substitutionen oder (iii) intermolekularer Substitution.
Die Reduktion des 9-Borafluorens 6∙THF mit Lithium erzeugt das B=B-gebundene Dibenzo[g,p]chrysen-Dianion [37]2–, das 9-Borafluoren-Dianion [6]2–, das 9,9-Dihydroboratafluoren [34]– und das tetraanionische Bis(9-borafluorenyl) [146]4–.
Das 9-Borafluoren-Dianion [6]2–, das durch Reduktion von 6∙THF bei –78 °C mit Alkalimetallen selektiv dargestellt wurde, reagiert als formales Nucleophil. Über eine Reaktionskaskade gelang die selektive Synthese unterschiedlicher Produkte, die bei der literaturbekannten Reduktion des unsymmetrischen 9-Borafluoren-Dimers (6)2 mit Lithium in Toluol in Gegenwart von Et3SiBr beschrieben wurden. Hierüber konnte u. a. die Bildung eines organischen Derivats von [B3H8]– erklärt werden.
Die moderne Hauptgruppenchemie ermöglicht es Siliciumverbindungen in unterschiedlichen Oxidationsstufen und mit ungewöhnlichen Koordinations- umgebungen zu realisieren: Silane, Silylene, Disilene, Disiline und molekularer Sand (SiO2) können soweit stabilisiert werden, dass eine Charakterisierung gelingt. Ein Verständnis für die Eigenschaften und Reaktivitäten dieser Verbindungen eröffnet Perspektiven zur gezielten Synthese verschiedener Siliciumverbindungen. Industriell sind im wesentlichen zwei Substanzklassen interessant: Perchlorierte Silane, die als Vorstufen für die Abscheidung elementaren Siliciums als Halbleitermaterial Verwendung finden und Organo(Chlor)silane, die wichtige Bausteine für den Aufbau von Silikonen und für Hydrosilylierungsreaktionen darstellen. Im Rahmen dieser Dissertationsschrift wurden mittels quantenchemischer Rechnungen Schlüssel-intermediate für den Aufbau solcher Verbindungen identifiziert und durch Einblicke in den Reaktionsmechanismus das Fundament für ein tiefergehendes Verständnis der dynamischen kovalenten Chemie der Oligosilane gelegt. Dies geschah in enger Zusammenarbeit mit den experimentellen Arbeitsgruppen von Prof. Wagner und Prof. Auner.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Hochtemperatur-Komproportionierungsreaktion von gasförmigem Siliciumtetrachlorid und elementarem Silicium untersucht (Chem. Eur. J. 2017, 23, 12399). In einer Gasphasenreaktion entsteht dabei ein perchloriertes Polysilan (PCS) unbekannter Zusammensetzung. Im Ergebnis konnten wir zeigen, dass PCS eine komplexe Mischung verschiedener molekularer perchlorierter Silane darstellt, von denen lediglich cyc-Si5Cl10 experimentell eindeutig charakterisiert werden kann. Ausgehend von Dichlorsilylen als reaktive Spezies in der Gasphase zeigten DFT-Berechnungen, dass durch Silylendimerisierung, Silyleninsertion und eine Reihe von Isomerisierungsreaktionen der Aufbau cyclischer Perchlorsilane mit unterschiedlichem Silylierungsgrad gegenüber dem entsprechenden Aufbau acyclischer Perchlorsilane aus nicht umgesetzten Siliciumtetrachlorid bevorzugt stattfindet. PCS liefert ein 29Si-NMR- Spektrum mit einer verwirrenden Vielzahl verschiedener Signale, die auch anhand quantenchemisch berechneter 29Si-NMR-chemischer Verschiebungen nicht eindeutig zugeordnet werden konnten. Dennoch war eine Einteilung der berechneten Verschiebungen in Bereiche möglich, in denen Verschiebungen für Siliciumatome cyclischer und acyclischer Perchlorsilane mit einer bestimmten formalen Oxidationsstufe zu erwarten sind.
Weiterhin wurde der Chlorid-induzierte Aufbau perchlorierter Silane aus Si2Cl6 untersucht: Der Bildungsmechanismus für die durch Tillmann röntgen- kristallographisch charakterisierten perchlorierten Silikate und dianionischen (silylsubstituierten) Cyclohexasilane wurde in einer DFT-Studie untersucht und Schlüsselintermediate sowie stabile Zwischenstufen identifiziert (Chem. Eur. J. 2014, 20, 9234). Wir konnten zeigen, dass SiCl3– als reaktives Intermediat für die Si–Si Bindungsknüpfung verantwortlich ist. Die experimentell nachgewiesenen Silikate sind, mit einer Ausnahme für die ein anderes Konformer gefunden wurde, identisch mit den theoretisch vorhergesagten lokalen Minima. Sie entstehen durch eine Reihe von reversiblen Additions- und Isomerisierungsreaktionen. Dabei sind die acyclischen Silikate über Gleichgewichtsreaktionen miteinander verknüpft, wobei die berechneten Aktivierungsbarrieren für die Rückreaktion immer etwas höher sind als die Barrieren für den nächsten Aufbauschritt. Im Rahmen dieser Gleichgewichtsreaktionen entsteht nicht nur SiCl3–, sondern es können auch höhere Silanide eliminiert werden, die ab einer Größe von drei Siliciumatomen zu Cyclohexasilanen dimerisieren. Mit der head- to-tail Dimerisierung des bevorzugt gebildeten Silanids erklärt sich zwanglos das Substitutionsmuster aller röntgenkristallographisch charakterisierten zweifach silylsubstituierten Cyclohexasilane. Weiterhin ist es gelungen, den Reaktions- mechanismus für den Chlorid-induzierten Aufbau des dianionischen inversen Sandwichkomplexes [Si6Cl12*2Cl]2– aus HSiCl3 aufzuklären, in dem ebenfalls SiCl3– das Schlüsselintermediat darstellt. Letzteres entsteht durch die Eliminierung von HCl aus dem Chloridaddukt von HSiCl3. Der Reaktionsmechanismus beinhaltet Chlorid- abstraktionen, Hydridabstraktionen, Deprotonierungen, Silanid-Additionen, sowie Silanid-Eliminierungen, die nahezu gleichberechtigt nebeneinander vorkommen. Alle identifizierten Reaktionsschritte münden immer wieder in die Pfade, die bereits für den Aufbau aus Si2Cl6 gefunden wurden.
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Ribonukleinsäure (ribonucleic acid, RNA) wirkt bei der Proteinbiosynthese nicht nur als Informationsüberträger, sondern kann auch beispielsweise durch sogenannten Riboschalter (auch Riboswitches) regulatorische Funktionen übernehmen. Riboschalter sind komplett aus RNA aufgebaut und man kann sie sich als molekulare Schalter vorstellen, die die Genexpression kontrollieren. Konzeptionell besteht ein Riboswitch aus zwei Untereinheiten, dem Aptamer und der Expressionsplattform. Das Aptamer bindet, üblicherweise sehr spezifisch, kleine organische Moleküle, aber auch Ionen. Diese Ligandenbindung induziert Änderungen in der Struktur des Riboswitches, welche wiederum die Expressionsplattform beeinflussen. Je nach Riboswitch ermöglicht oder verhindert dies schließlich die Genexpression. Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Etablierung von Methoden der optischen Spektroskopie zur Aufklärung von RNA-Dynamiken und -Strukturen im Allgemeinen und der Erforschung von Aptamerbindungsmechanismen im Besonderen.
Eine der dazu verwendetet Methoden ist die FTIR-Spektroskopie. Hierfür wurden zunächst kritische Parameter wie verschiedenste Messeinstellungen oder die Probenpräparation ausgiebig an RNA-Modellsträngen getestet. Dabei war es möglich, eine kleine Spektrenbibliothek als internen Standard aufzubauen. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass kleinere RNA-Oligonukleotide (< ca. 20 Nukleobasen) gut mittels FTIR-Methoden untersucht werden können. Anschließend wurde eine statische Bindungsstudie am adenosin- sowie am guanosinbindenden Aptamer vorgenommen.
Die zweite hier vorgestellte Methode zur Untersuchung von RNA-Molekülen ist die Fluoreszenzspektroskopie. Im Gegensatz zur FTIR-Spektroskopie ist dazu allerdings eine Modifizierung der RNA durch ein Fluoreszenzlabel nötig. Deshalb beschäftigt sich der Hauptteil dieser Doktorarbeit mit der Charakterisierung und der Anwendung des quasi bifunktionellen RNA-Markers (auch RNA-Labels) Çmf. So wurden zunächst die photophysikalischen und photochemischen Eigenschaften des Markers untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass Çmf sich als lokale Sonde eignet, da es empfindlich auf Änderungen der Mikroumgebung in Lösung reagiert. Durch direkten Vergleich der optischen Eigenschaften von Çmf mit den entsprechenden Eigenschaften des Spinlabels Çm war es möglich, den starken Fluoreszenzlöschungseffekt (sog. quenching) des Çm aufzuklären. So kann davon ausgegangen werden, dass die Fluoreszenz des Çm durch eine sehr schnelle interne Konversion (IC) in einen dunklen Dublettzustand (D1) gelöscht wird.
Im nächsten Schritt wurde Çmf in RNA-Modellstränge eingebaut, um den Einfluss der RNA auf die Photochemie des Markers zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich dessen Fluoreszenzsignal abhängig von den direkten Nachbarbasen sowie abhängig vom Hybridisierungszustand signifikant ändert. Gleichzeitig konnte keine deutliche Veränderung der Stabilität der Modellstränge festgestellt werden. So konnte also nachgewiesen werden, dass sich Çmf sehr gut als lokale Sonde in RNA eignet. Im Speziellen wurde aus den Ergebnissen geschlossen, dass der Fluorophor für Ligandenbindungsstudien herangezogen werden kann.
Deshalb wurde Çmf schließlich an mehreren verschiedenen Stellen in das neomycinbindende Aptamer (N1) eingebaut, um dessen Bindungskinetik zu untersuchen. Mittels Stopped-Flow-Messungen war es möglich, die Bindungsdynamik des Aptamers zu beobachten. Anhand dieser transienten Daten konnte ein Zweischrittbindungsmodell abgeleitet werden. Dabei bindet Neomycin zunächst unspezifisch an das weitgehend vorgeformte Aptamer. Anschließend kommt es durch die Ausbildung von Wasserstoffbrücken zu einer spezifischen Bindung des Liganden am Aptamer.
Im dritten Teil dieser Arbeit geht es ebenfalls um die Entwicklung und Etablierung eines spektroskopischen Werkzeuges. Dabei stehen allerdings Rhodopsine im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit. Hierbei handelt es sich um Membrantransportproteine, die nach optischer Anregung einen sehr schnellen Photozyklus mit mehreren Intermediaten durchlaufen. Es ist möglich, diese Intermediate dank transienter Absorptionsmessungen mit sehr guter zeitlicher und spektraler Auflösung zu beobachten. Allerdings besteht der Bedarf, diese Intermediate statisch zu präparieren, um sie näher charakterisieren und mit anderen Methoden, wie z.B. der Festkörper-NMR, vergleichen zu können.
Ein spektroskopisches Werkzeug zum Präparieren von frühen Photointermediaten ist kryogenes Einfangen (sog. Cryotrapping) dieser Intermediate. Im Rahmen dieser Arbeit wurden das Cryotrapping und die anschließende statische UV/vis-Absorptionsspektroskopie der fixierten (getrappten) Zustände optimiert und an einer Reihe von Rhodopsinen (ChR2, GPR) demonstriert.
Ein Hauptziel dieser Arbeit war die spektroskopische Charakterisierung einer neuartigen photolabilen Schutzgruppe (Photocage). Diese besteht aus dem weitverbreiteten (7-Diethylaminocumarin)methyl (DEACM), welches zusätzlich mit einer Art Antenne (ATTO 390) ausgestattet ist. Letztere soll die Zwei-Photonen-Absorption (2PA) erleichtern, was neben dem Energietransfer von der Antenne zur photolabilen Schutzgruppe sowie die Freisetzungsreaktion eines gebundenen Effektormoleküls untersucht wurde. Der Nachweis der erhöhten 2PA wurde durch Zwei-Photonen-induzierte Fluoreszenz erbracht, welche die Bestimmung des Zwei-Photonen-Einfangquerschnitts ermöglicht. Die 2PA wurde durch Messungen mit variierender Anregungsenergie an Rhodamin B und dem neuartigen Antennen-Photocage-System bestätigt, welche eine fast perfekte quadratische Abhängigkeit der Fluoreszenzintensität nach vorangegangener 2PA widerspiegelten. Die Werte des Zwei-Photonen-Einfangquerschnitts der neuartigen photolabilen Schutzgruppe sind über alle Wellenlängen hinweg größer als die von DEACM-OH. Der Beweis eines intramolekularen Energietransfers von der Antenne zu DEACM erfolgte durch transiente Absorptionsspektroskopie. Hierfür wurde der Photocage mit 365nm angeregt, was überwiegend die Antenne adressiert. Ein intramolekularer Energietransfer konnte mit einer Zeitkonstante von 20 ps beobachtet werden, welcher wahrscheinlich von einem nachgelagerten Ladungstransfer von DEACM auf ATTO 390 begleitet wurde. Die Funktionalität des neuartigen Photocages wurde durch Aufnahme von Absorptionsspektren im IR-Bereich während kontinuierlicher Belichtung bei 365 nm untersucht. Hierbei konnte die Entstehung der intensiven Absorption von Kohlendioxid aufgrund der Photodecarboxylierung detektiert werden. Absorptionsänderungen während kontinuierlicher Belichtung wurden ebenfalls im UV/Vis-Bereich detektiert, in welchen eine hypsochrome Verschiebung der langwelligen Absorptionsbande sowie ein Anstieg der Absorption festgestellt wurden. Hieraus konnte eine Quantenausbeute der Freisetzungsreaktion von 1,5% ermittelt werden. Die Ergebnisse zum Antennen-Photocage-System zeigen auf, dass durch Anbringen einer Antenne die 2PA verbessert werden kann, ohne die Funktionalität des Freisetzungsprozesses negativ zu beeinflussen. In einem nächsten Schritt zielen Verbesserungen des untersuchten Photocages darauf ab, den Ladungstransfer zu unterdrücken. Die Validierung dieses Ansatzes sollte die Einführung anderer Antennen mit erhöhten Zwei-Photonen-Einfangquerschnitten, wie z.B. Quantenpunkte, weiter motivieren. Der zweite Ergebnisteil dieser Arbeit konzentriert sich auf drei verschiedene Photosysteme, die sich durch eine sehr kurzlebige Fluoreszenz auszeichnen, welche mit einem Kerrschalter aufgenommen wurde. Das erste der drei untersuchten Systeme umfasst eine kooperative BODIPY-DTE-Dyade(Bordipyrromethen-Dithienylethen), die einen hocheffizienten photochromen Förster-Resonanzenergietransfer aufweist. Dieser wurde durch verkürzte Lebenszeiten der Differenzsignale im transienten Absorptionsspektrum der Dyade im photostationären Zustand abgeleitet. In diesem stellt BODIPY-DTE eine hochkonjugierte Einheit dar, welches durch die geschlossene Form des photochromen DTEs einen Energietransfer vom photoangeregten BODIPY zum DTE ermöglicht. Bei diesem Prozess wird die Fluoreszenz des Donors um einige Größenordnungen reduziert. Die Ergebnisse der transienten Absorptionsmessung wurde durch ein zeitaufgelöstes Fluoreszenzexperimentbestätigt. Die detektierte Fluoreszenztransiente zerfällt mit einer Zeitkonstante von etwa 15 ps und weist somit sehr hohe Ähnlichkeit mit dem Signal des Grundzustandsbleichens (GSB) aus dem transienten Absorptionsexperiment auf. Des Weiteren wurde die photochrome Ringschlussreaktion eines wasserlöslichen Indolylfulgimids spektroskopisch charakterisiert. Transiente Absorptionsmessungen geben einen direkten Einblick in den Mechanismus der Reaktion, in welcher, nach Photoanregung, die Relaxation aus dem Franck-Condon Bereich und die schnelle biphasische Relaxation des Moleküls über die konische Durchschneidung abgeleitet werden kann. Zusätzlich wurden zeitaufgelöste Fluoreszenzmessungen mit Hilfe des Kerrschalters durchgeführt, da die stimulierte Emission (SE) in transienten Absorptionsmessungen durch die Überlagerung mehrerer Signale nicht vollständig zu erkennen war. Die globale Lebensdaueranalyse der mit dem Kerrschalter aufgenommenen Breitband-Fluoreszenz lieferte drei Zeitkonstanten, welche wesentliche Übereinstimmung mit den Zeitkonstanten aus der globalen Lebensdaueranalyse der transienten Absorptionsmessungen aufweisen. Schlussendlich wurde die Deaktivierung des elektronisch angeregten Zustands des flavinbindenden Dodecins aus Mycobacterium tuberculosis mit Hilfe von unterschiedlichen spektroskopischen Methoden charakterisiert. Stationäre Fluoreszenzmessungen bei unterschiedlichen pH-Werten zeigten bei pH 5 eine im Vergleich zu nahezu physiologischen Bedingungen (pH 7,5)reduzierte Fluoreszenz auf. Auffällig ist, dass diese Beobachtungen durch transiente Absorptionsmessungen nicht bestätigt werden konnten, da diese eine große Ähnlichkeit bezüglich der Dynamik und der spektralen Signatur zueinander besaßen. Ein negatives Signal, hervorgerufen durch die SE, wurde hierbei nicht gefunden. Allerdings konnte in den zerfallsassoziierten Spektren eine spektrale Signatur beobachtet werden, die auf eine SE hindeutete, welche allerdings mit größeren positiven Signalen überlagert ist. Dieser Aspekt wurde in einer Kerrschalter-Messung untersucht, in der eine schwache Emission bei pH 7,5 festgestellt werden konnte. Zusätzlich wies die Zerfallsdynamik der Emission Übereinstimmung mit dem GSB-Signal aus den transienten Absorptionsmessungen auf.
Das Zusammenspiel von experimentellen mit quantenchemischen Methoden ermoeglicht eine detaillierte Untersuchung der ablaufenden Mechanismen einer chemischen Reaktion auf molekularer Ebene. Insbesondere für quantenchemische Rechnungen zu molekularen Uebergangsmetall-Verbindungen haben sich die Methoden der Dichtefunktionaltheorie (DFT) als aeusserst leistungsfaehiges Forschungswerkzeug herausgestellt. Im Rahmen der DFT fehlt es allerdings prinzipiell an der Möglichkeit zur systematischen Verbesserung der erzielten Ergebnisse und DFT-Rechnungen zeigen eine hohe Abhängigkeit von der Natur der untersuchten molekularen Verbindungsklasse. Daher muss vor jeder mechanistischen Untersuchung ein jeweils optimaler DFT-Ansatz durch Vergleich mit hochgenauen Referenzrechnungen oder mit experimentellen Referenzdaten für relevante Vergleichssysteme identifiziert und gegebenenfalls kalibriert werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden quantenchemische Rechnungen zur Reaktivität von Übergangsmetall-Verbindungen anhand von fünf Forschungsprojekten vorgestellt. Im ersten Kapitel werden die Ergebnisse für die Aktivierung kleiner Moleküle (Alkohole, Sauerstoff und Stickstoff) durch bifunktionelle Übergangsmetall-Pincer-Komplexe dargestellt. Das zweite Kapitel befasst sich mit der bioanorganischen Chemie von dinuklearen Kupfer-Sauerstoff-Komplexen. Die Auswahl einer geeigneten DFT-Methodik erfolgte in allen Fällen durch den Vergleich zu experimentellen Referenzdaten.
In Kooperation mit der Arbeitsgruppe Schneider wurden Eisen-Komplexe für die katalytische (De)hydrogenierung von Alkoholen entwickelt, eine wichtige Reaktion zur Funktionalisierung von Alkoholen zu Carbonylverbindungen. Durch DFT-Rechnungen konnte der ablaufende Katalysezyklus der (De)hydrogenierung des Modell-Substrats Methanol aufgeklärt und der geschwindigkeitsbestimmende Schritt identifiziert werden. Ebenfalls in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Schneider wurde die selektive Reduktion von Sauerstoff zu Wasser, vermittelt durch einen dihydridischen Iridium-Komplex, untersucht. Da durch die beiden Hydrid-Liganden insgesamt vier Elektronen für die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser bereitgestellt werden, sollte prinzipiell ein monomolekularer Reaktionsverlauf möglich sein. Detaillierte DFT-Rechnungen in Kombination mit experimentellen Kinetikmessungen ergeben starke Hinweise auf einen derartigen Reaktionspfad mit geschwindigkeitsbestimmender Sauerstoff-Aktivierung. Zuletzt wird ein weiteres Kooperationsprojekt mit derselben Arbeitsgruppe vorgestellt. Die protoneninduzierte
übergangsmetallvermittelte Spaltung von Stickstoff in zwei Metall-Nitrid-Komplexe stellt ein neuartiges synthetisches Konzept dar. Durch die Protonierung eines dinuklearen Molybdän-Stickstoff-Komplexes erfolgt die Spaltung in die entsprechenden Mo-Nitrid-Komplexe. Der Grund für die ungewöhnliche Änderung der Spin-Multiplizität bei der Protonierung der Molybdän-Komplexe konnte durch detaillierte quantenchemische Analysen identifiziert werden.
Im zweiten Kapitel werden Untersuchungen zur bioanorganischen Chemie von dinuklearen Kupfer-Sauerstoff-Komplexen vorgestellt. In der Natur werden viele (bio)chemisch relevante Prozesse durch übergangsmetallhaltige Enzyme unter moderaten Reaktionsbedingungen vermittelt. Kupferhaltige Enzyme sind unter Anderem für die hochselektive Oxidation organischer Substrate zuständig. Der Ansatz der Bioanorganik befasst sich mit der Übertragung der enzymatischen Struktur und/oder Funktion auf synthetische Modell-Verbindungen. Da die akkurate Beschreibung der Energien von dinuklearen Kupfer-Sauerstoff-Komplexen höchste Anforderungen an die angewandten quantenchemischen Methoden stellt, wurde eine geeignete DFT-Methode in aufwändigen Voruntersuchungen durch den Vergleich mit experimentellen Ergebnissen identifiziert. Mit Hilfe des so kalibrierten BLYP-D3-Ansatzes wurde in Kooperation mit der Arbeitsgruppe Meyer ein neuartiges Konzept für die baseninduzierte Isomerisierung des reaktiven Kerns etabliert. In einer weiteren Arbeit wurde die regio- und stereoselektive Hydroxylierung von nicht-aktivierten aliphatischen C-H-Bindungen in Steroid-Substraten mit Hilfe von mechanistischen DFT-Rechnungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die stereochemische Anordnung des Liganden um den reaktiven Kupfer-Sauerstoff-Kern die Selektivität der Hydroxylierung bestimmt.
Reactive oxygen species (ROS) are involved in various signalling mechanisms. Redox homeostasis is important in cancer cells, since they are dependent on upregulated antioxidant defence pathways to cope with elevated ROS levels. Therefore, targeting the antioxidant defence system and/ or increasing ROS to a lethal level may be a feasible strategy to counteract cancer cell progression.
Acute lymphoblastic leukaemia (ALL) is the most frequent malignant childhood cancer, displaying on one side resistance to cell death induction and on the other side elevated ROS levels. Therefore, inducing ferroptosis, a ROS- and iron-dependent cell death pathway might be useful to trigger cell death in ALL as a novel treatment strategy. In the first study of this thesis we observed that RSL3, a glutathione (GSH) peroxidase 4 (GPX4) inhibitor, triggered ROS accumulation and lipid peroxidation which contributed to ferroptotic cell death. These observations were based on suppression of RSL3 stimulated cell death using different ferroptosis inhibitors like Ferrostatin-1 (Fer-1), Liproxstatin-1 (Lip-1), as well as iron chelator Deferoxamine (DFO) and the vitamin E derivate α-Tocopherol (α-Toc). RSL3-triggered ROS and lipid peroxide production were also inhibited through Fer-1 and α-Toc. Furthermore, lipoxygenases (LOX) were activated upon RSL3 stimulation and contributed to ferroptotic cell death in ALL as well. Selective inhibition of LOX with the 12/15-LOX inhibitor Baicalein and the pan-LOX inhibitor nordihydroguaiaretic acid (NDGA) abolished RSL3-induced ROS production, lipid peroxidation and cell death. In addition, RSL3 induced lipid peroxide-dependent ferroptotic cell death in FAS-associated Death Domain (FADD)-deficient, death receptor-induced apoptosis resistant cells, demonstrating that ferroptosis might circumvent apoptosis resistance.
The second part of the study revealed that RSL3 and Erastin (Era), a GSH-depleting agent, inhibiting the cystine/glutamate antiporter system xc- and ferroptosis inducer, cooperated with the Smac mimetic BV6 to trigger cell death in ALL cells. RSL3/BV6 and Era/BV6 combination-induced cell death was dependent on ROS accumulation, but independent of caspases and key modulators of necroptosis. RSL3/BV6-treated ALL cells exhibited classical features of ferroptotic cell death with iron-dependency, ROS accumulation and lipid peroxidation which was diminished through either pharmacological inhibition (Fer-1, DFO, α-Toc) or genetic inhibition by overexpressing GPX4. Interestingly, Era/BV6-induced cell death in ALL cells was independent of iron but dependent on ROS accumulation, since α-Toc rescued from Era/BV6-triggered ROS production, lipid peroxidation and cell death. Moreover, inhibition of lipid peroxide formation through the addition of Fer-1 or by overexpressing GPX4 failed to rescue from Era/BV6-triggered cell death, even if Era/BV6-stimulated lipid peroxidation was diminished. Likewise, Fer-1 protected from RSL3/BV6-, but not from Era/BV6-generated ROS production, leading to the assumption that other ROS besides lipid-based ROS contributed to cell death in Era/BV6-treated cells. In summary, while RSL3/BV6 induced ferroptosis in ALL, Era/BV6 stimulated a ROS dependent cell death, which was neither dependent on iron nor caspases or receptor-interacting protein (RIP) kinase 1 nor 3. Additionally, using Erastin alone did not trigger ferroptotic cell death in ALL. Finally, with these two studies we tried to unravel the molecular pathway of ferroptosis by using RSL3 and Erastin as well described ferroptosis stimulators. Here, we demonstrate the possibility of a novel treatment strategy to reactivate programmed cell death by impeding redox homeostasis in ALL.
Since ALL failed to induce ferroptosis upon Erastin treatment, we investigated in the third part of this thesis a new model system to induce ferroptosis upon Erastin and RSL3 exposure. Previous studies revealed that rhabdomyosarcoma (RMS) cells might be susceptible to oxidative stress-induced compounds. To this end, we used Erastin as a prototypic ferroptosis stimulus and GSH-depleting agent and demonstrated that GSH depletion, ROS and lipid ROS accumulation contributed to cell death. Additionally, Fer-1, Lip-1, DFO, lipophilic vitamin E derivate α-Toc and GSH, a cofactor of GPX4, protected from Erastin stimulated ROS accumulation, lipid peroxidation and cell death. Also, the use of a broad spectrum protein kinase C (PKC) inhibitor Bisindolylmaleimide I (Bim1), a PKCα and ß selective inhibitor Gö6976 and siRNA-mediated knockdown of PKCα suppressed Erastin-mediated cell death in RMS. Moreover broad spectrum nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate (NADPH) oxidase (NOX) inhibitor Diphenyleneiodonium (DPI) and a more selective NOX1/4 isoform inhibitor GKT137831 abrogated Erastin-generated ROS formation, lipid peroxidation and cell death. With this, we demonstrate that RMS are vulnerable to ferroptotic cell death and investigated the molecular mechanism of ferroptosis by unravelling that PKC and NOX could have a pivotal role in ROS-mediated ferroptosis signalling in RMS. In this regard, ferroptosis inducers may act as a possible novel treatment strategy for RMS, especially those with poor clinical outcome.
Seit einigen Jahren ist bekannt, dass Sphingolipide nicht nur eine strukturgebende Funktion in der Plasmamembran aufweisen, sondern ebenfalls als Botenstoffe intra- und extrazellulär aktiv sind. Sphingosin-1-Phosphat (S1P) bildet dabei einen Schlüssel-Metaboliten, da es verschiedene Zellfunktionen wie Wachstum und Zelltod beeinflusst. Es wird durch zwei Isoformen der Sphingosinkinasen, SK1 und SK2, gebildet. Die SK1 wurde bereits gut untersucht und es konnte gezeigt werden, dass sie eine wichtige Rolle beim Zellwachstum einnimmt und einen entscheidender Regulator bei inflammatorischen Erkrankungen und Krebs darstellt. Über die SK2 ist soweit wenig bekannt und die Ergebnisse sind zum Teil kontrovers. Sowohl pro-proliferative als auch anti-proliferative Funktionen der SK2 wurden beschrieben. Andererseits handelt meine Arbeit von Nierenfibrose, da beschrieben wurde, dass Sphingolipide einen wichtigen Einfluss auf die Entwicklung chronischer Nierenerkrankungen nehmen. Nierenfibrose stellt das Endstadium chronischer Nierenerkrankungen dar und führt zu einer Akkumulation der Extrazellulärmatrix, Organvernarbung und zum Verlust der Nierenfunktion. Die SK1 spielt dabei eine protektive Rolle bei der Entstehung von Nierenfibrose. Deshalb sollte in dieser Arbeit die Rolle der Sk2 bei der Entstehung von Nierenfibrose untersucht werden.
Im ersten Teil meiner Arbeit wurde das Mausmodell der unilateralen Ureterobstruktion (UUO) verwendet, welches zur Entwicklung einer tubulointerstitiellen Nephritits und nachfolgender Fibrose führt. Es konnte dabei gezeigt werden, dass sowohl die Protein-Expression als auch die Aktivität der SK2 im fibrotischen Nierengewebe gesteigert wurden. Allgemein wiesen die SK2-/--Mäuse eine verminderte Fibrose in Folge des UUO auf im Vergleich zu den Wildtyp-Mäusen. Dies wurde bestätigt durch eine reduzierte Kollagenakkumulation, sowie eine verminderte Protein-Expression von Fibronektin-1, Kollagen-1, α-smooth muscle actin, connective tissue growth factor (CTGF) und Plasminogen-Aktivator-Inhibitor1 (PAI-1). Diese Effekte gingen einher mit einer gesteigerten Protein-Expression des inhibitorischen Smad7 und erhöhten Sphingosin-Spiegeln in SK2-/--UUO-Nieren. Auf mechanistischer Ebene vermindern die erhöhten Sphingosin-Spiegel die durch transforming growth factor-β (TGFβ) induzierte Kollagenakkumulation, die PAI-1- und CTGF-Expression, aber induzieren die Smad7-Expression in primären Nierenfibroblasten. In einem komplementären Versuch mit hSK2 tg-Mäusen wurde eine verstärkte Entstehung von Nierenfibrose mit erhöhter Kollagenakkumulation, sowie erhöhte Protein-Expressionen von Fibronektin-1, Kollagen-1, α-smooth muscle actin, CTGF und PAI-1 festgestellt. Die Smad7-Expression dagegen war vermindert.
Im zweiten Teil meiner Arbeit stand der glomeruläre Teil der Niere im Fokus und es wurde untersucht, ob die Überexpression der SK2 zu einer phänotypischen Veränderung der glomerulären Mesangiumzellen führt. Mesangiumzellen wurden dazu aus den hSK2 tg-Mäuse isoliert und charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass hSK2 und mSK2 in den transgenen Zellen hauptsächlich in der zytosolischen Fraktion lokalisiert sind, während S1P ausschließlich im Kern akkumulierte. Weiterhin konnte eine verminderte Proliferation unter normalen Wachstumsbedingungen der hSK2 tg-Zellen im Vergleich zu den Kontrollzellen beobachtet werden. Die Zellen reagierten auch sensitiver auf Stress-induzierte Apoptose. Auf molekularer Ebene konnte dies durch eine reduzierte ERK- und Akt/PKB-Aktivierung erklärt werden. Nach Staurosporin-Behandlung wurde Apoptose durch den intrinsischen, mitochondrialen Apoptosesignalweg induziert. Dabei konnte eine reduzierte anti-apoptotische Bcl-xL-Expression und vermehrte Prozessierung von Caspase-9 und Caspase-3 und PARP beobachtet werden.
Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass eine verminderte tubulointerstitielle Fibrose-Entstehung durch die Deletion der SK2, sowie anti-proliferative und Apoptose-induzierende Effekte durch die SK2 in Mesangiumzellen nachgewiesen werden konnten. Somit könnten SK2-Inhibitoren die Entstehung tubulointerstitieller Fibrose und mit Proliferation assoziierte Erkrankungen wie mesangioproliferative Glomerulonephritis positiv beeinflussen.
Der ligandaktivierte Transkriptionsfaktor Farnesoid X Rezeptor (FXR) ist neben seiner Funktion als Regulator des Gallensäurehaushaltes auch in vielen anderen metabolischen Prozessen wie Glukose- und Lipidhomöostase involviert und besitzt antiinflammatorische Eigenschaften. Gerade bei hepatischen, gastrointestinalen und systemischen Erkrankungen erscheint FXR daher als interessante Zielstruktur zur Behandlung metabolischer Erkrankungen. Basierend auf den natürlichen Liganden von FXR, den Gallensäuren, wurde Obeticholsäure (OCA) als seminsynthetisches Derivat der endogenen Chenodesoxycholsäure zu einem potenten FXR-Agonisten entwickelt. OCA wurde in mehreren Studien auf seine therapeutische Wirkung bei hepatisch-entzündlichen Krankheitsbildern wie der primären biliären Cholangitis (PBC), der nicht-alkoholischen Fettleber (engl: non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD) und der daraus folgenden nicht-alkoholischen Steatohepatitis (NASH) getestet. Mittlerweile ist OCA als Zweitlinientherapie der PBC auf dem Arzneimittelmarkt zuge-lassen. Neben OCA gibt es noch eine große Anzahl an weiteren FXR-Liganden, deren strukturelle Diversität von Steroiden bis nicht-steroidalen kleinen Molekülen (engl: small molecules) reicht. Trotz dieser Erfolge muss das Therapiepotential von FXR noch weiter ausgebaut werden. Die meisten verfügbaren Liganden besitzen in vitro zwar eine hohe Potenz, können in ihrem pharmakokinetischen Profil oder ihrer Selektivität gegenüber anderen nukleären Rezeptoren aber nicht überzeugen.
Die hier vorliegende Arbeit hat sich mit der Entwicklung unterschiedlicher Liganden für FXR beschäftigt und diese in vitro und teilweise auch in vivo charakterisiert, um sie entsprechend ihrer Wirkungsweise einzuordnen und ein besseres Verständnis der regulatorischen Funktion von FXR zu erlangen.
Modulation von FXR bezieht sich nicht nur auf die agonistische Aktivierung, sondern setzt sich auch mit Antagonismus auseinander. Neben einigen Krankheitsbildern, die aus einer Überexpression von FXR resultieren, werden Antagonisten als Werkzeug (engl: tool compound) zur Aufklärung von konformellen Veränderungen von FXR und deren Auswirkung auf bestimmte Signalwege benötigt. Für die Erforschung solcher FXR-Antagonisten sollte das Potential nicht-steroidaler Antirheumatika (engl: non-steroidal anti-rheumatic drugs, NSAIDs) als etwaige Leitstrukturen untersucht werden, da in einer Veröffentlichung von Lu et al. ein FXR-Antagonismus durch NSAIDs postuliert wurde. Beim Versuch der Reproduktion der Ergebnisse von Lu et al. mit den drei NSAIDs Ibuprofen, Indometacin und Diclofenac wurde festgestellt, dass die Effekte auf den ersten Blick antagonistisch erscheinen, aber bei genaueren biochemischen Untersuchungen zweifelsfrei als Zytotoxizität identifiziert wurden.
FXR-Antagonisten wie Guggulsteron oder Gly-MCA sind auf ihre therapeutische Wirksamkeit unter-sucht worden, aber die genaue Wirkweise ist noch nicht aufgeklärt. Aufgrund ihrer steroidalen Grundstruktur ist ihre Selektivität gegenüber anderen nukleären Rezeptoren fraglich. Die überschaubare Anzahl an publizierten nicht-steroidalen FXR-Antagonisten besitzt zwar moderate IC50-Werte, ihre strukturelle Diversität und Selektivität ist aber limitiert. Zur Entwicklung neuer potenter FXR-Antagonisten, die aus kleinen Molekülen (engl: small molecules) aufgebaut sind, wurde eine N-Phenylbenzamid-Leitstruktur ausgewählt. Diese Leitstruktur wurde im Rahmen der SAR-Unter-suchungen zur Entwicklung von Anthranilsäurederivaten als FXR-Partialagonisten innerhalb des Arbeitskreises entdeckt. Ausgehend von dieser Leitstruktur wurde eine mehrstufige, systematische SAR-Untersuchung durchgeführt, wodurch ein sehr potenter FXR-Antagonist entwickelt werden konnte, der anschließend umfangreich biochemisch auf FXR-Modulation, Selektivität, Löslichkeit, Toxizität und metabolische Stabilität charakterisiert wurde.
Neben dem Verständnis eines Modulationsmechanismus ist die konkrete Anwendung eines FXR-Liganden zu therapeutischen Zwecken von großem Interesse. Die Beteiligung von FXR in unterschiedlichen metabolischen Prozessen macht den Rezeptor zu einem begehrten Ansatzpunkt für die Wirkstoffentwicklung. Doch die Behandlung eines multifaktoriellen Krankheitsbildes (z.B. metabolisches Syndrom, NASH) sollte sich nicht nur auf einen der gestörten Signalwege beziehen, da diese Erkrankungen durch mehrere Faktoren ausgelöst oder beeinflusst werden. Der semisynthetische FXR-Agonist OCA zeigte innerhalb der FLINT-Studie sowohl antientzündliche und antifibrotische Effekte, als auch eine Verbesserung der metabolischen Parameter mit Blick auf NAFLD und NASH. Die lösliche Epoxidhydrolase (engl: soluble epoxidhydrolase, sEH) besitzt nachweislich anti-inflammatorische und antisteatotische Effekte in der Leber. Aus diesem Grund wurde eine Leitstruktur entwickelt, die eine duale Modulation aus FXR-Aktivierung und sEH-Inhibition erzeugt. Dafür wurden die Pharmakophore eines im Arbeitskreis entwickelten FXR-Partialagonisten sowie eines potenten sEH-Inhibitors miteinander verknüpft. Zur Weiterentwicklung einer ausgewogenen hohen Potenz beider Modulationsfaktoren wurden mehrere unterschiedliche SAR-Untersuchungen als translationales Projekt in mehreren Arbeiten durchgeführt. In der hier vorliegenden Arbeit konnten dieses SAR-Untersuchungen zusammengeführt und weiterentwickelt werden. Dabei wurde ein ausgewogener und hochpotenter dualer Modulator erhalten, der umfassend in vitro und in vivo charakterisiert wurde. Die gezielte duale Aktivität, die mit dieser Substanz erreicht wurde, führt in einem Krankheitsbild zu synergistischer Ergänzung zweier Therapieoptionen. Jedoch kann eine unerwünschte Promiskuität über verwandten nukleären Faktoren zu Nebenwirkungen führen. Die Ursache dafür kann eine saure Funktion darstellen. Ein sehr potenter nicht-azider FXR-Agonist mit einem subnanomolaren EC50-Wert konnte im Arbeitskreis entwickelt werden. Diese Verbindung ist FXR-selektiv, hat keinen toxischen Effekt auf HepG2-Zellen und eine moderate metabolische Halbwertszeit. Die qRT-PCR-Untersuchung direkter und indirekter FXR-Zielgene zeigte eine verstärkte Expression nach der Inkubation mit der nicht-aziden Substanz. Dadurch lässt sich das Prinzip der Nebenwirkungsminderung durch nicht-azide Verbindungen beweisen.
Insgesamt konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, wie vielfältig und vielversprechend eine FXR-Modulation aufgebaut sein kann. Zum einen konnte über eine ausgeprägte biochemische Evaluation eine Differenzierung zwischen FXR-Antagonismus und Zelltoxizität bewiesen werden, worauf sich aufbauend eine genaue in vitro-Charakterisierung von neuen N-phenylbenzamidbasierten FXR-Antagonisten durchführen ließ, die ausgehend von einer moderat potenten Leitstruktur zu einer sehr potenten optimierten Substanz entwickelt wurden. FXR-Antagonismus und die dazu passenden tool compounds sind nicht nur von Bedeutung zum besseren Verständnis der unterschiedlichen Bindungsmodi des FXR, sondern auch potentielle Therapieansätze zur Behandlung von Krankheiten, in denen eine FXR-Überexpression stattfindet. Die agonistische Modulation von FXR wurde genauer betrachtet in der in vitro-Untersuchung nicht-azider FXR-Agonisten, die durch das Fehlen einer sauren Funktion ein hohes Maß an Selektivität und dabei eine geringe Toxizität aufwiesen. Synergistische Effekte zur Behandlung eines multifaktoriellen Krankheitsbildes durch die Kombination von FXR-Partialagonismus und sEH-Inhibition konnte durch die Entwicklung der potenten und balancierten Substanz sowohl in vitro als auch in vivo bewiesen werden, wodurch diese Verbindung ein vielversprechender Kandidat für weitere klinische Entwicklung ist.
Biologischen Systemen liegen Mechanismen zugrunde, die bis heute nicht vollständig aufgeklärt sind. Für die Untersuchung eignen sich externe Trigger, die eine Regulation von außen auf das System erlauben und Prozesse gezielt steuerbar machen. Eine Möglichkeit ist das System unter optische Kontrolle zu bringen, d.h. durch Licht eine externe Steuerung zu implementieren, was von einem internen Chromophor aufgenommen wird. In der vorliegenden Dissertation werden drei individuelle Projekte vorgestellt, die alle dieses Prinzip auf unterschiedliche Weise anwenden.
RNAs haben eine Vielzahl an verschiedenen Funktionen in der Zelle, die von der Proteinsynthese bis zur Genregulation variieren. Im ersten Projekt wurde der Photoschalter Spiropyran im Kontext von RNA eingesetzt. Mit dem Ziel das Derivat PyBIPS kovalent an ein Oligonukleotid zu binden und damit die Hybridisierung eines Duplexes zu steuern, wurden Strukturmotive gesucht, an die der Photoschalter postsynthetisch gebunden werden kann. Dabei soll die sterisch anspruchsvolle Spiropyran-Form die Watson-Crick-Basenpaarung stören und die planare, konjugierte Merocyanin-Form in den Duplex, zur zusätzlichen Stabilisierung, interkalieren. In Vorarbeiten von Clara Brieke wurde festgestellt, dass erstens nur PyBIPS, nach kovalenter Verknüpfung, noch vollständig photochemisch aktiv ist und zweitens eine Herstellung über Festphasensynthese nur in schlechter Ausbeute realisierbar ist. Ausgehend davon wurde PyBIPS an die drei nicht-nukleosidischen Linker, Aminoglykol, D-Threoninol und Serinol, postsynthetisch über eine Amidbindung angebracht, die zuvor über Oligonukleotidfestphasensynthese in 2´-OMe-RNA eingebaut wurden.
In der photochemischen Charakterisierung konnte gezeigt werden, dass PyBIPS, gebunden an alle drei Motive, noch photochemisch aktiv ist und im Vergleich zu ungebundenem PyBIPS stabiler ist gegenüber Photolyse. In Untersuchungen im Doppelstrang im Wedge Motiv, d.h. im Gegenstrang befindet sich kein Nukleotid gegenüber dem Photoschalter, wurde ein ähnliches Verhalten festgestellt. Zusätzlich zur charakteristischen Merocyanin-Bande bei 550 nm ist ein zweites, rotverschobenes Absorptionsmaximum entstanden, das die gleichen Eigenschaften besitzt. In Schaltzyklen wurde festgestellt, dass eine Isomerisierung bis 660 nm möglich ist, was eine Anwendung im therapeutischen Fenster zwischen ca. 600 und 1000 nm von Blut ermöglichen würde. Das Auftreten der zweiten Bande hängt stark vom Linker und dem Baustein im gegenüberliegenden Strang ab. Es wird vermutet, dass sich das, sonst nicht-bevorzugte, TTT-Isomer der Merocyanin-Form, durch Stabilisierung durch die Umgebung im Oligonukleotid ausbildet.
Zur Untersuchung, inwiefern die Isomerisierung des Photoschalters die Duplexstruktur beeinflusst, wurden Schmelzpunktstudien und Fluoreszenzmessungen zur KD-Bestimmung durchgeführt, ohne dass eine Veränderung zu erkennen war. In einer größeren NMR-Studie, in Kooperation mit Tom Landgraf (Arbeitsgruppe Prof. Dr. Harald Schwalbe) wurde der Fokus darauf-gelegt mehr Informationen über die strukturelle Integrität zu erhalten. Es findet eine Störung der benachbarten Basenpaarungen durch den Photoschalter statt, jedoch kann die Kraft der Isomerisierung des Photoschalters nicht übertragen warden. Der Einfluss war zunächst geringer als erwartet, was in anderen Anwendungen überprüft warden muss.
Im zweiten Projekt steht das Membranprotein OmpG aus E. Coli K12 im Fokus. Proteine besitzen viele verschiedene funktionelle Gruppen, die für selektive Biokonjugation genutzt werden können in einer Reihe von Anwendungen. OmpG gehört zur Gruppe der Porine, die in der äußeren Membran von Gram-negativen Bakterien sitzen und die seltene ß-Fassstruktur ausbilden. Die Pore besitzt einen großen Innendurchmesser ohne Selektivität. Das Molekül wurde bereits intensiv auf seine Struktur, insbesondere Loop 6, der pH-abhängig die Pore verschließt, untersucht. In Vorarbeiten von Grosse et al. wurde der Loop entfernt, sodass ein ruhiger Kanal entstanden ist, der ein optimales Modellsystem darstellt. Außerdem wurden in der Pore zwei Cysteine, die auf gegenüberliegenden Seiten auf halber Höhe des Kanals sitzen, eingeführt. An die Thiolgruppen wurden photolabile Schutzgruppen angebracht, die erst den Kanal blockieren und nach Abspaltung durch Licht wieder freigeben. Dazu wurde jeweils ein 7-Diethylaminocumarin (DEACM) postsynthetisch angebracht.
Der Linker am Cumarin-Alkohol stellt dabei einen Kompromiss dar, da er zum einen selektiv mit der Thiolgruppe des Cysteins reagieren soll, gleichzeitig aber noch photo-induziert wieder abspalten muss. Durch Belichtung findet eine Hydrolyse des Esters unter Abspaltung des Alkohols statt, der einen Carbonsäurerest am Thiol in der Pore zurück lässt. In spannungsabhängigen Einzelkanal-messungen, durchgeführt von Dr. Philipp Reiß (Universität Marburg), konnte gezeigt werden, dass die zwei DEACM Modifikationen eine Reduktion der Leitfähigkeit bewirkten und durch Licht abgespalten und aus dem Kanal entfernt werden konnten. Dabei war außerdem zu erkennen, dass die Leitfähigkeit aufgrund der Carboxylreste über das Niveau von unmodifiziertem OmpG steigt.
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Massenspektrometrie-basierte Proteomuntersuchungen erfolgen auch heute überwiegend nach dem sogenannten Bottom-Up-Ansatz, d.h. die Identifizierung von Proteinen erfolgt auf der Basis von Peptiden, die chromatographisch gut voneinander getrennt werden können und massenspektrometrisch leichter zu analysieren sind als Proteine. Nach Identifikation der Peptide kann rekonstruiert werden, welche Proteine ursprünglich in der Probe vorgelegen haben. Zentraler Arbeitsschritt der Probenvorbereitung ist daher die Zerlegung des Proteins, die entweder chemisch oder - wie in den meisten Fällen – enzymatisch erfolgt. Trypsin ist das mit Abstand am häufigsten genutzte Enzym, da es eine hohe Schnittspezifität aufweist und sehr effizient ist. Der Trypsin-Verdau ist darüber hinaus sehr robust, d.h. er zeigt eine hohe Toleranz gegenüber Verunreinigungen, und zudem werden Peptide erzeugt, die sowohl gute Ionisations- als auch gute Fragmentierungseigenschafen aufweisen. Die durch Trypsin gebildeten Peptide enthalten neben dem basischen N-Terminus eine weitere basische Aminosäure am C-Terminus, so dass sie leicht zumindest doppelt-geladene Ionen bilden können und sehr häufig aussagekräftige C-terminale Fragmentioneserien liefern.
Neben den zahlreichen Vorteilen gibt es allerdings auch Nachteile. So können nach einem tryptischen Verdau in Abhängigkeit von der Verteilung der Schnittstellen Peptide entstehen, die entweder zu klein sind, um eine verlässliche Zuordnung zu einem Protein zu erlauben oder die zu groß sind für den Massenbereich des gewählten Massenanalysators. Eine vielversprechende Alternative zu Trypsin wäre ArgC, welches C-Terminal zu Argininen schneidet und somit im Durchschnitt größere Peptide mit Ionisations- und Fragmentierungseigenschaften ähnlich zu tryptischen Peptiden erzeugt. Das Enzym ArgC weist jedoch nur eine geringe Schnittspezifität auf und sein Trypsin-ähnliches Verhalten – also das Schneiden auch hinter Lysin - wurde öfters beobachtet und wird auch vom Hersteller angegeben. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Verdaumethode, die Peptide erzeugt, die ausschließlich auf Argininen enden.
Das Resultat der zu entwickelnden Verdaumethode sollte somit dem eines idealen enzymatichen ArgC-Verdaues entsprechen. Realisiert wurde der ArgC-ähnliche-Verdau durch den Einsatz von Trypsin, dessen enzymatischer Schnitt durch die chemische Derivatizierung der Substrat-Lysine auf Arginine reduziert wurde. Neben dem weiteren Einsatz von Trypsin sollte dieser "Quasi-Arg-C-Verdau" weitere systematische Vorteile für Proteomanalysen realisieren: Zum Ersten sollte die Anzahl von Fehlschnitt-Peptiden, die sich bei Trypsin insbesondere an Lysinen mit saurer chemischer Umgebung ergeben, reduziert werden, zum Zweiten sollten die Arg-C-Peptide sowohl durch ihre gewachsende Größe, als auch durch das mit dem C-terminalen Arginin verbesserte Fragmentierungsverhalten höhere Score-Werte bei der bioninformatischen Auswertung der MS-Daten ergeben.
Im ersten Teil wurden zunächst bioinformatische Werkzeuge entwickelt, die MALDI-MS-Dateien automatisiert prozessierten. Die entwickelten Programme umfassen die Identifizierung und relative Quantifizierung von Proteinen aus diesen Dateien. Des Weiteren wurde ein Programm zur Analyse von MALDI-ISD-Dateien entwickelt. Automatisierte Auswertungen gelangen durch die Erstellung von Workflows in der Datenanalyseplattform KNIME. Diese Workflows kombinieren in Python geschriebene Skripte und Funktionalitäten frei verfügbarer Programme wie "MSConvert" und "mMass".
Nach Erstellung der bioinformatischen Werkzeuge wurde die Methodenentwicklung zur Modifizierung der Lysine für verschiedene Reagenzien durchgeführt. Die Auswahl fiel auf vier Substanzen, von denen bekannt ist, dass sie unter milden Reaktionsbedingung im quantitativen Ausmaß mit Aminogruppen reagieren. Diese waren Sulfo-NHS-Acetat, Propionsäureanhydrid, Diethylpyrocarbonat und die reduktive Methylierung mit Formaldehyd und Picolin-Boran. Die Reaktionsbedingungen mussten zunächst für Proteine optimiert werden, da die publizierten Protokolle hauptsächlich zur Derivatizierung von Peptiden verwendet worden waren. Anschließend wurden die optimierten Protokolle für eine Protein- und Proteomprobe eingesetzt und die Resultate miteinander verglichen. Die Untersuchungen führten zu dem Ergebnis, dass sowohl auf Protein- als auch auf Proteomebene die Propionylierung des Lysins die besten Resultaten zeigte. Insbesondere ist hervorzuheben, dass alle ArgC-ähnlichen Ansätze unabhängig vom eingesetzten Reagenz zu besseren Ergebnissen in jeder der Untersuchungen führte als der klassische enzymatische ArgC-Verdau.
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Quantenchemische Untersuchungen zu Reaktionsmechanismen reaktiver Carben- und Silylenverbindungen
(2018)
In dieser Arbeit werden Reaktionsmechanismen verschiedener Carben- und Silylenverbindungen mit quantenchemischen Methoden untersucht: Die Zerfallsreaktion acylischer Diaminocarbene, die Reaktion verschiedener Diaminocarbene mit CO, die C-C Kupplung von Benzophenon mit SiCl2, die Reaktion von NHC mit Si2Br6 und die Reaktion von Dimethyltitanocen mit neo-Si5H12