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Um molekulare Mechanismen in biologischen Prozessen zu verstehen, ist es unerlässlich biologisch aktive Verbindungen zu kontrollieren. Dabei spielt besonders die Aktivierung bzw. Desaktivierung von Genabschnitten eine zentrale Rolle in der gegenwärtigen chemischen, biologischen und medizinischen Forschung. Nukleinsäuren sind dabei offenkundige Zielmoleküle, da sie die Genexpression auf unterster Ebene regulieren und auf vielfältige Art und Weise an biologischen Prozessen beteiligt sind. Um solch eine genaue Steuerung zu erreichen, werden Nukleinsäuren häufig photolabil modifiziert und unter die Kontrolle von Licht gebracht. Da hochentwickelte Technologien es erlauben Photonen bestimmter Energie unter präziser räumlicher und zeitlicher Auflösung zu dosieren, ist Licht als nicht invasives Triggersignal ein besonders geeignetes Werkzeug um molekulare Prozesse zu kontrollieren.
Die Verwendung photolabiler Schutzgruppen („cage“) ermöglicht es, diese lichtaktivierbaren Nukleinsäuren („caged compound“) herzustellen. Üblicherweise werden Oligonukleotide damit an funktionsbestimmenden Stellen versehen, woraufhin die Funktion der Oligonukleotide unterdrückt wird. Die biologische Aktivität kann durch Bestrahlung mit Licht wieder hergestellt werden, da die photolabile Schutzgruppe durch den Lichtimpuls abgespalten wird. Neben der zeitweiligen Maskierung der Nukleinsäureaktivität existiert auch eine Methode, die als „photoaktivierbarer Strangbruch“ (‘‘caged strand break‘‘) bezeichnet wird. Dabei werden mit Hilfe von photolabilen Linkern (‘‘Verknüpfer‘‘) lichtinduzierte Strangbrüche in Oligonukleotiden ausgelöst, um so beispielsweise die Struktur eines Nukleinsäurestrangs zu zerstören. Die Idee der photoaktivierbaren Strangbrüche ist nicht neu, dennoch werden photolabile Schutzgruppen überwiegend nach der erstgenannten Strategie verwendet. Im Rahmen dieses Promotionsvorhabens wurden neue photosensitive Linkerbausteine für Oligonukleotide entwickelt und hergestellt, welche sich vor allem im Hinblick auf die Anwendbarkeit in lebenden biologischen Systemen von den bisherigen photolabilen Linkern unterscheiden.
Im ersten Projekt wurde ein nicht-nukleosidischer, photolabiler Linker, basierend auf dem Cumaringrundgerüst, entwickelt. Das Ziel war hier, vor allem, einen zweiphotonenaktiven Linker für biologische Anwendungen und Zweiphotonen-Fragestellungen nutzbar zu machen. Bisherige Zweiphotonen-Linker konnten hauptsächlich nur für Proteinverknüpfungen bzw. Neurotransmitter verwendet werden oder mussten chemisch umständlich (z.B. Click-Chemie) und postsynthetisch in Oligonukleotide eingeführt werden. Der neu entwickelte Zweiphotonen-Linker wurde als Phosphoramiditbaustein für die Oligonukelotid-Festphasensynthese synthetisiert, was einen problemlosen und automatisierten Einbau garantiert. Mit einem modifizierten Oligonukleotid konnten die photochemischen Eigenschaften des Linkers bestimmt und mit Hilfe eines fluoreszenzbasierten Verdrängungsassays und Lasertechniken der Zweiphotonen-Effekt visualisiert werden. Dazu wurde ein Hairpin-DNA-Strang hergestellt, welcher eine Linkermodifikation im Bereich der Loopregion enthält. Durch eine Thiolmodifikation am 5‘-Ende des Oligonukleotidstranges war es möglich, diesen in einem Maleimid-funktionalisierten Hydrogel zu fixieren. Ein DNA-Duplex mit einem Fluorophor/Quencherpaar und einer korrespondierenden Sequenz zum modifizierten Hairpin-Strang wurde ebenfalls dem System zugegeben, allerdings wurde dieser nicht fixiert, um Diffusion zu ermöglichen. Durch die räumliche Nähe des Fluorophors zum Quencher konnte im unbelichteten Zustand zunächst keine Fluoreszenz gemessen werden. Mit einem (Femtosekunden-)gepulsten Laser und dem damit verbundenen Bindungsbruch im Hairpin-Strang durch Zweiphotonen-Effekte wurde es dem fluoreszierenden Strang des DNA-Duplex ermöglicht, sich vom Quencher-Strang zu lösen und an den fixierten Strang zu hybridisieren. Das Photolyse-Ereignis konnte so in ein lokales Fluoreszenzsignal übersetzt und detektiert werden.
Der eindeutige Beweis, dass es sich tatsächlich um ein Zweiphotonen-induziertes Ereignis handelt, konnte durch die dreidimensional aufgelöste Photolyse und über die quadratische Anhängigkeit des Fluoreszenzsignals von der eingestrahlten Laserleistung erbracht werden.
Die generelle Kompatibilität des Cumarin-Linkers mit biologischen Systemen konnte in Zellkulturexperimenten gezeigt werden. Dazu wurde eine Transkriptionsfaktor-DNA Decoy-Strategie entwickelt, in der Linker-modifizierte DNA Decoys an regulatorische Transkriptionsfaktoren binden und diese aber auch photochemisch wieder freisetzen können („catch and release-Strategie“). Zellkulturexperimente, um mit dieser Methode das Transkriptionsfaktor-gesteuerte und endogene Gen für Cyclooxygenase-2 (COX2) zu regulieren, lieferten keine aussagekräftigen Ergebnisse. Daher wurden die verwendeten Zellen dahingehend manipuliert, sodass sie das Protein GFP (grün fluoreszierendes Protein) in Abhängigkeit von der Anwesenheit eines Transkriptionsfaktors exprimieren. Das so durch die Zellen verursachte Fluoreszenzsignal steht in direkter Abhängigkeit zur Decoy-Aktivität. Mit Hilfe modifizierter GFP-Decoys konnte hierbei eine Regulation auf Transkriptionsebene in biologischen Organismen erreicht werden. Mit dem Electrophoretic Mobility Shift Assay (EMSA), einer molekularbiologischen in vitro-Analysetechnik, wurden die Interaktionen zwischen modifizierten Decoys und dem Transkriptionsfaktor untersucht.
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Infections with the hepatitis B virus (HBV) or the hepatitis C virus (HCV) lead to complications like the development of cirrhosis or hepatocellular carcinoma. These complications end up in 887,000 and 500,000 deaths per year, respectively. Since the development of new direct acting antiviral agents for HCV in the past years a complete cure of an HCV infection can be achieved in the majority of the patients. In contrast, a complete cure of a chronic HBV infection still remains a challenging problem as current treatment regimens mainly suppress the viral replication and cccDNA as well as integrated DNA still persist in these patients. Several viral and host factors were described to impair the efficacy of treatment regimens or influence the course of the infection. Therefore, in this work viral factors as well as host factors were investigated in HBeAg negative chronic HBV infected patients and in chronic HCV infected patients. In the present study, it was demonstrated that mutations and/or deletions in the HBV basal core promoter (BCP), the precore and the preS domain occur in a genotype-specifc pattern in HBeAg negative HBV infected patients. While the BCP double mutation A1762T/G1764A was found with the highest prevalence in genotype E infected patients, the precore mutation G1896A occurred mostly in genotype B infected patients. Variants in the preS domain could be detected with the highest frequency in patients infected with genotype C. In patients, who had to start an antiviral therapy during the course of the disease, mutations in the precore region could be detected with a higher frequency in the samples right before treatment start in comparison to the baseline sample.
While different HBV genotypes and preS mutations were not associated with HBV-DNA serum levels, precore mutations as well as BCP mutations were significantly associated with HBV-DNA levels. Furthermore, precore mutations showed lower and preS mutations higher HBsAg levels. The HBsAg serum levels varied significantly among the different genotypes. Since HBsAg levels < 1000 IU/ml have been described as a prognostic marker in several studies, the prevalence of patients with HBsAg < 1000 IU/ml was analyzed among the genotypes A - E. While most of the patients infected with HBV genotype B had HBsAg < 1000 IU/ml, only a few patients infected HBV genotype E and A had HBsAg < 1000 IU/ml.
Furthermore, HBV genotype A genomes derived from patients harboring a) A1762T/ G1764A (BCP), b) G1896A/G1899A (precore), c) 15 aa deletion in preS1, d) no mutation (reference genome) were cloned and analyzed in vitro. An enhanced expression but reduced secretion of viral genomes was found in the preS-deletion- and the precore-variant. No differences in the HBsAg production and secretion were observed in the cloned precore- or BCP-variant, while the preS-deletion-variant was characterized with an elevated HBsAg release.
Regarding the secretion of viral and subviral particles, a genotype-specifc pattern of the L/M/SHBs ratio was detected in the serum of patients infected with genotypes A - E. This pattern did not change in the serum of patients, who started antiviral treatment. Secreted HBsAg containing particles displayed a higher density as well as a higher filaments/spheres ratio in genotypes B and D compared to genotypes A, C and E. Population-based and deep sequencing revealed large deletions in the preS domain or preS2 start codon mutations in a certain number of the viral genomes. Theoretically, these mutations/deletions should influence the molecular weight of the expressed protein or abolish the expression of the protein at all. In contrast, LHBs/MHBs were detectable and appeared at the same molecular weight in these patient samples in comparison to patient samples without these mutations. Furthermore, in the in vitro analyses comparing the reference genome and the preS1-deletion genome, it was shown that the deletion indeed influenced the molecular weight of LHBs. Therefore, HBsAg might be expressed from a genetically different source than the released viral genomes, meaning the integrated DNA.
Additionally, in the present study the prevalence of resistance associated substitutions (RASs) in the viral genes NS3, NS5A and NS5B of chronic HCV infected patients was analyzed in correlation to single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the interferon-λ4 (IFNL4) gene of the infected patients. No significant correlation was found between IFNL4 SNPs and RASs within NS3/NS5B in the present cohort. In contrast, the frequently detected NS5A RAS Y93H could be significantly associated with beneficial IFNL4 SNPs and a high baseline viral load in HCV genotype 1-infected patients.
Taken together, the present study demonstrated that viral genome mutations as well as the morphology of secreted particles occur in a genotype-dependent pattern in HBeAg negative HBV infected patients with no need of antiviral therapy. As the amount of serum qHBsAg levels varied among the different genotypes, the HBsAg cut-off < 1000 IU/ml should be adapted individually among the various genotypes. Because the composition of the secreted subviral particles varied between the different genotypes, a genotype-specific immune-response might be induced in these patients. Additionally, the results of the present study indicate that in HBeAg negative HBV infected patients with mutations or deletions in the preS domain MHBs and LHBs might be expressed from the integrated DNA and therefore from a genetically different source than the released viral genomes.
Aside from that, the finding of a significant association of the NS5A RAS Y93H with beneficial IFNL4 SNPs in chronic HCV infected patients may explain a lack of a correlation or an inverse correlation of treatment response with the IFNL4 genotype in some NS5A inhibitor-containing IFN-free regimens.
Photolabile Schutzgruppen haben sich im Laufe der letzten Jahre als wertvolle Werkzeuge für die Untersuchung und Regulation biologischer Prozesse etabliert. Dabei wird die photolabile Schutzgruppe auf geeignete Weise mit Biomolekülen verknüpft, sodass deren Funktion temporär deaktiviert wird. Durch Bestrahlen mit Licht geeigneter Wellenlängen wird die photolabile Schutzgruppe entfernt und die Aktivität des Biomoleküls bzw. des zu beobachtenden Prozesses wiederhergestellt. Die Grundlagen der Verwendung photolabiler Schutzgruppen im biologischen Kontext wurden in zwei Pionierarbeiten 1977 von J.W. ENGELS und 1978 von J.F. HOFFMAN gelegt. Davon ausgehend haben sich zahlreiche Anwendungen photolabiler Schutzgruppen für biologisch interessante Molekülklassen entwickelt. Auf dem speziellen Gebiet der Nukleinsäuren wurden in den letzten Jahren einige fundamentale Mechanismen entdeckt und aufgeklärt, die nicht zuletzt auch therapeutisch interessante Anwendungsmöglichkeiten für photolabile Schutzgruppen bieten. Hierbei stellt das An-/Aus-Schaltverhalten von Nukleinsäuren jedoch ein nicht-triviales Problem dar. Selbst der gezielte Einbau einer einzelnen photolabilen Schutzgruppe in ein multifunktionales Oligonukleotid führt in der Regel nämlich nicht zu einer vollständigen Deaktivierung dessen. Ein multipler Einbau photolabiler Schutzgruppen entlang der Sequenz eines funktionellen Oligonukleotids schaltet die Hintergrundaktivität im deaktivierten Zustand zwar vollständig aus, allerdings müssen in diesem Fall hohe Bestrahlungsintensitäten bzw. –dauern für das Entfernen aller photolabilen Modifikationen angewendet werden. Dadurch geht zum einen die Zeitauflösung der lichtgeschalteten Prozesse verloren, nicht zuletzt erhöht sich dabei aber auch das Risiko von lichtinduzierten Schäden am biologischen System. Das Kernthema der vorliegenden Dissertation war es daher, neue Architekturen für den Aufbau photoaktivierbarer Oligonukleotide zu entwickeln.
Das erste große Projekt basierte auf der Annahme, dass sich Duplexstrukturen, die für die Funktion vieler Nukleinsäuremechanismen fundamental sind, durch Zyklisierung von Oligonukleotiden global destabilisieren und damit effizienter photoaktivieren lassen, als durch lokalen Einbau einzelner photolabiler Schutzgruppen in Oligonukleotide. Hierzu wurden geeignete Alkin-Modifikationen an photolabile Nitrobenzyl- und Cumarin-Schutzgruppen angebracht und diese an die Nukleobasen verschiedener DNA-Bausteine geknüpft. Es ist daraufhin gelungen, Oligonukleotide mit je zwei photolabilen Alkin-Modifikationen herzustellen und diese intrasequentiell über eine Cu(I)-katalysierte Click-Reaktion mit einem Bisazid-Linker zu zyklisieren. Die so erhaltenen Oligonukleotide wiesen dramatisch erniedrigte Schmelzpunkte gegenüber den nativen Duplexen, sowie gegenüber den zweifach photolabil geschützten Oligonukleotiden auf. Dabei wurde außerdem festgestellt, dass Zyklisierungsparameter wie die Linkerlänge, -polarität und –flexibilität und die Wahl der photolabilen Schutzgruppe keinen signifikanten Einfluss auf die Duplexstabilität hat. Über einen Bereich von Ringgrößen zwischen ca. 11-21 Nukleotiden wurden die niedrigsten Duplexstabilitäten beobachtet. Sehr kleine, sowie große Ringe ab 30 Nukleotiden wiesen dagegen höhere Stabilität auf.
Da mit dem entwickelten Zyklisierungskonzept auch mehrere Ringstrukturen innerhalb einer Oligonukleotidsequenz aufgebaut werden können, wurde im nächsten Schritt eine photoaktivierbare Variante des C10-Aptamers hergestellt, welches selektiv gegen Burkitt’s Lymphomzellen bindet. Dieses 90-mer DNA-Oligonukleotid wurde an drei Stellen photolabil Alkin-modifiziert und infolge mit einem Trisazid-Linker zu einer bizyklisierten Struktur verknotet. Mit Hilfe von Fluoreszenzmikroskopie-Experimenten konnte demonstriert werden, dass das durch eine solche „Photo-Klammer“ deaktivierte C10-Aptamer keine Bindungsaffinität gegenüber Burkitt’s Lymphomzellen aufweist, die Bindungsaktivität jedoch nach Belichten wiederhergestellt werden kann. Mit Atomkraftmikroskopie-Experimenten ist es darüber hinaus gelungen, die Photoaktivierung des verknäuelten C10-Aptamers mit molekularer Auflösung abzubilden. Mit diesem Ergebnis können nun lange funktionelle Oligonukleotide auf definierte Weise photoaktivierbar gestaltet werden, insbesondere auch dann, wenn keine (Informationen über) funktionelle Sekundärstrukturen existieren.
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The enzyme acetyl-CoA carboxylase (ACC) plays a fundamental role in the fatty acid metabolism. It regulates the first and rate limiting step in the biosynthesis of fatty acids by catalyzing the carboxylation of acetyl-CoA to malonyl-CoA and exists as two different isoforms, ACC1 and ACC2. In the last few years, ACC has been reported as an attractive drug target for treating different diseases, such as insulin resistance, hepatic steatosis, dyslipidemia, obesity, metabolic syndrome and nonalcoholic fatty liver disease. An altered fatty acid metabolism is also associated with cancer cell proliferation. In general, the inhibition of ACC provides two possibilities to regulate the fatty acid metabolism: It blocks the de novo lipogenesis in lipogenic tissues and stimulates the mitochondrial fatty acid β-oxidation. Surprisingly, the role of ACC in human vascular endothelial cells has been neglected so far. This work aimed to investigate the role of the ACC/fatty acid metabolism in regulating important endothelial cell functions like proliferation, migration and tube formation.
To investigate the function of ACC, the ACC-inhibitor soraphen A as well as an siRNA-based approach were used. This study revealed that ACC1 is the predominant isoform both in human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) and in human dermal microvascular endothelial cells (HMECs). Inhibition of ACC via soraphen A resulted in decreased levels of malonyl-CoA and shifted the lipid composition of endothelial cell membranes. Consequently, membrane fluidity, filopodia formation and the migratory capacity were attenuated. Increasing amounts of longer acyl chains within the phospholipid subgroup phosphatidylcholine (PC) were suggested to overcompensate the shift towards shorter acyl chains within phosphatidylglycerol (PG), which resulted in a dominating effect on regulating the membrane fluidity. Most importantly, this work provided a link between changes in the phospholipid composition and altered endothelial cell migration. The antimigratory effect of soraphen A was linked to a reduced amount of PG and to an increased amount of polyunsaturated fatty acids (PUFAs) within the phospholipid cell membrane. This link was unknown in the literature so far. Interestingly, a reduced filopodia formation was observed upon ACC inhibition via soraphen A, which presumably caused the impaired migratory capacity.
This work revealed a relationship between ACC/fatty acid metabolism, membrane lipid composition and endothelial cell migration. The natural compound soraphen A emerged as a valuable chemical tool to analyze the role of ACC/fatty acid metabolism in regulating important endothelial cell functions. Furthermore, regulating endothelial cell migration via ACC inhibition promises beneficial therapeutic perspectives for the treatment of cell migration-related disorders, such as ischemia reperfusion injury, diabetic angiopathy, macular degeneration, rheumatoid arthritis, wound healing defects and cancer.
Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind die Untersuchungen lichtgesteuerter Reaktionen der zwei Retinalproteine Channelrhodopsin-2 (ChR-2) und Proteorhodopsin (PR) mit Hilfe zeitaufgelöster Laserspektroskopie.
Da der Mechanismus der Kanalöffnung des ChR-2 bis heute nicht vollständig aufgeklärt werden konnte, beschäftigt sich diese Arbeit insbesondere mit den Prozessen, die direkt nach der Photoanregung des Retinals stattfinden und die Kanalöffnung vorbereiten. Es wurde dabei gezielt auf für die Funktion des Proteins wichtige Faktoren wie strukturelle Besonderheiten des Chromophors und seiner Umgebung eingegangen und deren Auswirkung auf die Dynamik der Photoreaktionen sowie die Veränderungen im Protein nach der Anregung untersucht.
Zunächst wurden die Ergebnisse der vis-pump-IR-probe-Experimente an ChR-2 im Bereich der Carbonylschwingungsbanden protonierter Glutamat- und Aspartat-Reste dargestellt. Dabei wurde insbesondere die Bildungsdynamik der Differenzbanden in diesem Spektralbereich untersucht und in Anlehnung an die vorhandene Literatur eine Bandenzuordnung der für die Funktion des Proteins wichtigen Aminosäurereste vorgenommen. Aus den Messergebnissen konnte geschlossen werden, dass die mit der Kanalöffnung einhergehenden Konformationsänderungen in ChR-2 durch eine effektive Aufnahme der Überschussenergie durch das Protein auf einer sub-Pikosekunden-Zeitskala vorbereitet werden.
Des Weiteren wurden spektroskopische Untersuchungen an der R120H-Mutante des ChR-2 vorgestellt. Da diese Mutante bei elektrophysiologischen Messungen keine Kanalaktivität zeigte, sollte zunächst geklärt werden, ob die Mutation einen Einfluss auf die Retinalisomerisierung und den nachfolgenden Photozyklus hat. Dabei stellte sich heraus, dass die Retinalisomerisierung bei der R120H-Mutante zwar im Vergleich zum Wildtyp etwas verzögert stattfindet, der Einfluss der Punktmutation auf den weiteren Photozyklus jedoch insgesamt gering ist. Mit Hilfe der Kurzzeit-IR-Spektroskopie im Bereich der Amid I-Schwingung des Proteinrückgrats konnten für die Mutante allerdings signifikante Veränderungen der Bildungsdynamik sowie eine deutliche Abnahme der Amplitude des Amid I-Signals detektiert werden. Anhand weiterer Experimente an den Mutanten E123T und D253N in diesem Spektralbereich konnte anschließend ein Zusammenhang zwischen der Intensität der Amid I-Bande und der Kanalaktivität von ChR-2 festgestellt werden. Diese Ergebnisse ließen somit die Schlussfolgerung zu, dass die Aminosäurereste R120 und D253 eine entscheidende Rolle beim schnellen Transfer der Überschussenergie an das Protein nach der Retinalanregung und der so initiierten Kanalöffnung spielen.
Zusätzlich wurde der Frage nachgegangen, inwieweit Veränderungen am Chromophor die Isomerisierungsreaktion, den nachfolgenden Photozyklus sowie die Funktion des ChR-2 als Ionenkanal beeinflussen können. Zu diesem Zweck wurden spektroskopische Untersuchungen an einem mit 9-12-Phenylretinal (PheRet) rekonstituierten ChR-2 vorgestellt. Es konnte gezeigt werden, dass die Isomerisierung des PheRet zu seiner 13-cis-Form in ChR-2 stark verlangsamt ist und verglichen mit dem nicht modifizierten Chromophor deutlich ineffizienter abläuft. Es wurde außerdem festgestellt, dass die Veränderungen am Retinal zu deutlichen Beeinträchtigungen des Photozyklus führen. Zum einen wurde ein sehr schneller Zerfall des ersten Photoprodukts sowie die Bildung eines zusätzlichen, blauverschobenen Px-Zustands detektiert. Außerdem wurde festgestellt, dass nach der Deprotonierung des isomerisierten PheRet der Großteil der modifizierten Retinale in den Ausgangszustand zurückkehrt und der P3-Zustand nur in geringen Mengen gebildet wird. Die Messergebnisse führten somit zu der Schlussfolgerung, dass die all-trans-Konformation des PheRet in ChR-2 deutlich bevorzugt wird. Da elektrophysiologische Untersuchungen des Retinal-Analogons jodach keine signifikanten Verminderungen der Photoströme im Vergleich zum ATR in ChR-2 zeigten, ließ sich schließlich festhalten, dass die vorgenommenen Veränderungen am Chromophor, die zu einer deutlichen Hemmung der Isomerisierungsreaktion führen und einen starken Einfluss auf den nachfolgenden Photozyklus haben, nicht ausreichend sind, um die Kanalaktivität von ChR-2 komplett zu blockieren, solange noch ein kleiner Anteil der Retinale isomerisieren kann.
Der abschließende Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Absorption des UV-Lichts durch das Retinal mit deprotonierter Schiff-Base im grünabsorbierenden Proteorhodopsin, welches in einem alkalischen Medium im Dunkelzustand akkumuliert werden kann. Die Untersuchungen der Primärreaktion zeigten einen langsamen biexponentiellen Zerfall des angeregten Zustands der UV-absorbierenden Spezies mit anschließender Bildung des 13-cis-Photoprodukts. Aufgrund dieser Ergebnisse konnte ein Reaktionsmodell für die ersten Prozesse nach der UV-Anregung des Retinals im GPR aufgestellt werden, welches möglicherweise für weitere UV-Rezeptoren genutzt werden kann.
Licht ist ein wertvolles Werkzeug zur Regulation biochemischer Reaktionsabläufe. Denn die Applikation von Licht erlaubt eine sehr präzise Einflussnahme auf den Ort und den Startzeitpunkt der zu untersuchenden Reaktionen. Als nichtinvasives Medium bietet die Lichtkontrolle bei der Wahl einer geeigneten Anregungswellenlänge den Vorteil nur minimal in einen lebenden Organismus einzugreifen. Um eine solche lichtbasierte Kontrolle für biologische Anwendungen zu realisieren, ist die Anwesenheit einer lichtsensitiven Verbindung nötig. Ein Konzept der lichtsensitiven Verbindungen ist die sogenannte photolabile Schutzgruppe. Im Allgemeinen handelt es sich hierbei um einen Chromophor der temporär an ein Biomolekül angebracht wurde, um dessen biologische Aktivität zu unterdrücken.
In dieser Arbeit wurde dieses Konzept auf das Antibiotikum Puromycin angewendet, welches durch das synthetische Anbringen der Cumarin-Schutzgruppe DEACM in seiner biologischen Aktivität behindert und durch einen Lichtpuls wieder freigesetzt wurde. DEACM st eine photolabile Schutzgruppe mit breitem Anwendungsspektrum, da es im Vergleich zu anderen Cumarin-Derivaten vorteilhafte photophysikalische Eigenschaften aufweist. Zum einen ist durch den 7-Diethylamino-Substituenten das Absorptionsmaximum dieser Verbindung um etwa 20 nm bathochrom verschoben. Zum anderen zeichnet sich dieses Derivat durch einen erheblich erhöhten Extinktionskoeffizienten aus, sodass eine Freisetzungsreaktion mit einer geringeren Lichtdosis induziert werden kann, was weniger Stress für die Zellen in lebenden Systemen bedeutet.
Die antibiotische Wirkung von Puromycin beruht auf der strukturellen Ähnlichkeit zum5'-Ende von Tyrosyl-tRNA, wodurch sich das Antibiotikum kondonunspezifisch während der Translation der Proteinsynthese an das Ribosom anlagern kann. Anschließend wird die naszierende Polypeptidkette auf das Puromycin transferiert. Da diese neue Bindung unter biologischen Bedingungen nicht spaltbar ist, führt dies zu einer verfrühten Freisetzung des Polypeptid-Puromycin-Fragments. Schließlich ist die Proteinsynthese vollständig abgebrochen.
Die Motivation zur photoinduzierten Kontrolle von Puromycin besteht in der Vielzahl an biologischen Applikationsmöglichkeiten, da die lichtregulierte Freisetzung der biologischen Aktivität als Trigger für sich anschließende biochemische Abläufe verwendet werden kann. Durch das hier gezeigte System kann in Kombination mit anderen Techniken (z.B. NMR) die posttranslationale Proteinfaltung beobachtet werden, welche als hochgradig komplexer Prozess bisher nicht verstanden ist. Eine weitere Motivationsgrundlage ist die Anwendung von DEACM-puromycin in Nervenzellen. Hier kann durch die Photofreisetzung die Proteinsynthese in den Dendriten der Neuronen beobachtet werden, wodurch Rückschlüsse auf neurodegenerative Krankheiten möglich sein sollten, wie z.B. Alzheimer-Krankheit. In dieser Arbeit konnte in-vitro nachgewiesen werden, dass die antibiotische Wirkung von Puromycin mittels Licht kontrollierbar ist. Aus der photophysikalischen Grundcharakterisierung ging hervor, dass DEACM-puromycin einen hohen Extinktionskoeffizienten bei Wellenlängen größer als 380 nm aufweist. Folglich kann zur Induktion der Photolyse eine geringere Lichtdosis mit energiearmer Strahlung als bei dem Vorläufersystem NVOC-puromycin verwendet werden, angesichts dessen ist das hier vorgestellte DEACM-puromycin für Anwendungen in Zellen zu empfehlen.
Über die Kombination von quantenchemischen Rechnungen und spektroskopischen Methoden konnten die frühen Schritte der Freisetzungsreaktion bestimmt und quantifiziert werden. Zudem zeigte sich ein Einfluss der Lösungsmittelzusammensetzung auf die Uncaging-Schritte. In Gegenwart eines protischen Lösungsmittels wird der zum Uncaging in Konkurrenz stehende Prozess der Fluoreszenz unterdrückt, wodurch die Freisetzungsschritte effektiver werden. Zudem führt die Präsenz von Protonen zu einer Stabilisierung des ionischen Intermediates, sodass die Bildung dessen beschleunigt ablaufen kann. Die Spaltung der photolabilen Schutzgruppen vom Puromycin findet mit einer Rate von 0,71*10^8 s-1 statt, welche im Vergleich zu Vorgängersystem um eine Größenordnung größer ist. Die Wiederherstellung der biologischen Aktivität resultiert aber erst nach einem anschließenden Decarboxylierungsschritt. Mithilfe von IR-Messungen konnte die Decarboxylierung beobachtet und daraus die Quantenausbeute zu 2,5% determiniert werden. Die so bestimmte Quantenausbeute entspricht etwa dem Zweifachen von NVOC-puromycin, sodass die hier untersuchte Verbindung eindeutig als das effizientere System zu betrachten ist. Die hier beschriebenen Ergebnisse zeigen, dass DEACM-puromycin vorteilhafte photophysikalische Eigenschafen aufweist, die diese Verbindung zu einem wertvollen Hilfsmittel für eine Vielzahl von lichtkontrollierten Untersuchungen in biologischer Umgebung macht. Zudem wurden Einblicke in den Reaktionsmechanismus gegeben, die das Verständnis der photolytischen Spaltung von Carbamat-geschützten Cumarinen erstmals auf der ultrakurzen Zeitskala ermöglicht.
The endoplasmic-reticulum-associated protein degradation pathway ensures quality control of newly synthesized soluble and membrane proteins of the secretory pathway. Proteins failing to fold into their native structure are processed in a multistep process and finally ubiquitinated and degraded by the proteasome in order to protect the cell from proteotoxic stress. My thesis covers structural as well as functional studies of various protein components that constitute the protein complexes that are responsible for this process.
One sub-project addressed the mechanism of glycan recognition by Yos9 as part of the ERAD substrate selection. NMR solution structures of the mannose-6-phosphate homology (MRH) domain of Yos9 both in a free and glycan bound conformation reveal a gripping movement of loop regions upon binding of correctly processed glycan structures.
The main projects focused on revealing the mechanism of efficient ubiquitin chain assembly by the ERAD ubiquitination machinery. This included the investigation of the role of the ERAD components Cue1 and Ubc7 in processive ubiquitin chain formation, how ubiquitin chain conformations change during elongation, how the conformation of a chain is impacted by interacting proteins and finally understand the activity regulation of the ERAD E2 enzyme Ubc7 by its cognate RING E3 ligases. Nuclear magnetic resonance (NMR) analysis and fluorescence-based ubiquitination assays show that the CUE domain of Cue1 contributes with its proximal binding preference as well as with its position dependent accelerating effect to efficient ubiquitin chain formation. This is required to efficiently drive degradation of substrates. Specific ubiquitin binding events dictate and coordinate the spatial arrangement of the E2 enzyme relative to the distal tip of a chain. This process can be further accelerated by RING E3 ligases that promote Ubc7 activity by more than ~20 fold via inducing allosteric changes around the catalytic cysteine. My results additionally suggest a model where Ubc7 dimerization results in proximity induced activation of the E2. This data ensures rapid diubiquitin formation that is followed by a CUE domain assisted chain elongation mechanism where Cue1 acts in an E4 like fashion.
How ubiquitin binding events can modulate the conformations of a ubiquitin chain were investigated by pulsed electron-electron double resonance (PELDOR) spectroscopy combined with molecular modeling. This shows that K48-linked diubiquitin samples a broad conformational space which can be modulated in distinct ways. The CUE domain of Cue1 uses conformational selection of pre-populated open conformations to support ubiquitin chain elongation. In contrast, deubiquitinating enzymes shift the conformational distribution to weakly or even non-populated conformations to allow cleavage of the isopeptide bond that connects adjacent ubiquitins. Ubiquitin chain elongation increases the sampled conformational space and suggests that this high conformational flexibility might contribute to efficient proteasomal recognition.
Verschiedene physikalische Effekte erlauben es Licht so zu führen und zu verändern, dass es Einblicke in für Menschen sonst unzugängliche Bereiche gewährt. Eines von insgesamt drei Elementen dieser Dissertationsschrift ist der Aufbau eines Multiphotonen-Mikroskops. Dieses fortschrittliche Werkzeug erweitert das zur Verfügung stehende Instrumentarium um verschiedene Analysemethoden, allen voran die 2-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskopie. Durch geringfügige Modifikationen können auch weitere Methoden, wie beispielsweise stimulierte Raman-Streuung realisiert werden.
Insbesondere die 2-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskopie war für das zweite Element dieser Dissertationsschrift von großer Bedeutung. In dieser Studie wurde das Bleichverhalten von Spinach bei 2-Photonen-Absorption untersucht, sowohl an frei in Lösung befindlichen als auch auf einem Träger immobilisierten Spinach-Komplexen. Die Ergebnisse zu den frei in Lösung befindlichen Spinach-Komplexen zeigen, dass die Verstärkung der Fluoreszenz von DFHBI grundsätzlich auch im Fall der 2-Photonen-Absorption eintritt. Dabei wurde ein Ausbleichen der 2-Photonen-induzierten Fluoreszenz für frei in Lösung befindliche Spinach-Komplexe erst bei außerordentlich hohen Intensitäten der Anregungsstrahlung beobachtet. Dieser Befund kann zumindest teilweise auf das Eindiffundieren fluoreszenter Spinach-Komplexe in das sehr kleine Fokalvolumen innerhalb der 2-Photonen-Anregung stattfindet zurückgeführt werden. Für immobilisierte Spinach-Komplexe konnte gezeigt werden, dass eine kontinuierliche Bildaufnahme gegenüber einer Bildaufnahme in Intervallen mit jeweils zusätzlichen Dunkelphasen zur Erholung des reversiblen Bleichens der 2-Photonen-induzierten Fluoreszenz, sowie der generelle Verzicht auf spezielle Belichtungsschemata und Methoden der Datenakquise mit keinen besonderen Nachteilen verbunden ist. Abschließend betrachtet erweist sich Spinach bei 2-Photonen-Anregung als ausgesprochen resistent gegenüber einem irreversiblem Ausbleichen des Fluoreszenzsignals.
Als drittes Element dieser Dissertationsschrift wurde die Dynamik von Chrimson, einem Kanalrhodopsin mit rot-verschobener Absorption mittels zeitaufgelöster Spektroskopie im sichtbaren Spektralbereich untersucht. Sowohl die Anregungswellenlänge als auch der pH-Wert bzw. der Protonierungszustand des Gegenions haben einen messbaren Einfluss auf die Primärreaktion. Diese verlangsamt sich, sobald der pH-Wert abgesenkt oder die Anregungswellenlänge rot-verschoben wird. Darüber hinaus führt eine Rot-Verschiebung der Anregungswellenlänge zu einer geringeren Effizienz der Isomerisation des Retinal-Chromophors. Die Primärreaktion von Chrimson entspricht dabei einem Reaktionsmodell mit einer Verzweigung des Reaktionspfades auf der Energiehyperfläche des angeregten Zustandes. Ein Reaktionspfad führt dabei durch ein lokales Minimum, welches in seiner Ausprägung stark von der elektrostatischen Umgebung des Retinal-Chromophors abhängt. Je nach ursprünglichem Protonierungszustand des Gegenions der Retinal-Schiff-Base wurden große Unterschiede hinsichtlich der beobachteten transienten Absorptionsmuster für den im Anschluss von Chrimson durchlaufenen Photozyklus gefunden. Bei pH 6,0 weist der Photozyklus von Chrimson eine insgesamt deutlich schnellere Kinetik auf, als es für den Photozyklus bei pH 9,5 beobachtet wurde. Es ist bemerkenswert, dass in elektrophysiologischen Messungen für beide Photozyklen eine Öffnung des Ionenkanals gefunden wurde. Die Kanalfunktion von Chrimson ist somit grundsätzlich nicht vom Protonierungszustand des Gegenions abhängig, wenngleich die Kinetik des Ionenkanals durchaus davon beeinflusst wird. Dies deutet auf Unterschiede in den Wechselwirkungen zwischen dem Ionenkanal und dem Gegenion der Retinal-Schiff-Base hin.
Im ersten Projekt der vorliegenden Arbeit wurden CD - 1 Mäuse mit drei unterschiedlichen Diäten für zwei Wochen ad libitum gefüttert. Die Diäten bestanden aus zwei kohlenhydratarmen, fettreichen Diäten und einer Standard Haltungsdiät. Die kohlenhydratarmen, fettreichen Diäten enthielten entweder Triheptanoin (dreifach mit Heptanoat verestertes Glycerol) oder Soja - Öl als Fettkomponente (jeweils 35 % der Gesamtkalorien). Nach zwei Wochen wurde ein ischämischer Schlaganfall für 90 min. mithilfe eines Silikonfadens induziert. Die Leber, das Blut und das Gehirn wurden nach dem Schlaganfall entnommen und die Konzentrationen der Metabolite β - Hydroxybutyrat, Glukose, Laktat und Citrat wurden mit der zuvor etablierten GC - MS-Methode ermittelt. Unter gleichen Bedingungen wurde eine Mikrodialysestudie durchgeführt.
Bei den Tieren, die die kohlenhydratarmen, fettreichen Diäten erhielten, konnte in den Leber - und Hirnhomogenaten, im Plasma sowie im Mikrodialysat eine Ketose festgestellt werden. Die BHB Konzentrationen durch eine Soja Diät erreichten im Leberhomogenat bis zu 4 mM, im Plasma bis zu 1,5 mM, im Hirnhomogenat bis zu 1,5 mM und im Mikrodialysat bis zu 30 µM. Um eine Aussage treffen zu können, ob das Gehirn die von der Leber produzierten Ketonkörper als Energiesubstrate nutzen kann, wurde eine Folgestudie (unter gleichen Bedingungen) durchgeführt. Bei dieser Studie wurde der Zeitpunkt der Gewebeentnahme 60 min. nach Entfernen des Fadens (Reperfusion) gewählt. In den Leber – und Hirnhomogenaten konnten erniedrigte Konzentrationen des Ketonkörpers BHB nachgewiesen werden. Die nicht operierten Tiere, die eine fettreiche Diät erhielten, hatten erhöhte Konzentrationen an Citrat in den genannten Geweben. Durch den Abbau des Ketonkörpers BHB können bei Verstoffwechslung in Geweben außerhalb der Leber, zwei Moleküle Acetyl - CoA gebildet werden. Diese gebildeten Acetyl - CoA Moleküle können in den Citratzyklus eingespeist werden.
Um diesen Befund mechanistisch besser verstehen zu können, wurde den Mäusen Propranolol (ein unselektiver β - Blocker) verabreicht, und zwar kurz nachdem der Faden die mittlere Zerebralarterie verschlossen hatte. Als Folge blieb bei den fettreich gefütterten Tieren die zuvor beobachtete Ketose, aus. Daraus wurde geschlossen, dass die auftretende Ketose bei den fettreich gefütterten Tieren durch adrenerge β - Rezeptoren vermittelt wurde. Zusammengefasst kann eine fettreiche bzw. ketogene Ernährung im Falle einer Ischämie die Versorgung des Gehirns durch die Bildung von Ketonkörper gewährleisten.
Die zu beobachtende hepatische Ketogenese aus dem ersten Projekt hat die Frage entstehen lassen, ob eine akute Gabe von β - Hydroxybutyrat (BHB) bei Entfernen des Fadens schützende Effekte auf das Verhalten bzw. die Mitochondrien als Kraftwerke der Zelle hat. Hierzu wurde BHB bei Reperfusion gegeben und die Wirkungen dieser Einmalgabe nach 24 h untersucht. Als erster Schritt wurde der Nachweis erbracht, dass eine exogene Gabe von BHB das Gehirn erreicht. Im zweiten Schritt wurde das Verhalten der Mäuse nach 24 h untersucht. Hierbei erbrachte die Gabe von BHB eine signifikante Verbesserung der sensorischen und motorischen Fähigkeiten der Mäuse. Die metabolischen Veränderungen nach 24 h wurden erneut in Leberhomogenaten und Plasma vermessen. Eine Einzelgabe von BHB bewirkte eine milde Ketose auch 24 h nach Reperfusion der mittleren Zerebralarterie. Um eine detailliertere Erkenntnis über die Wirkung von BHB zu erlangen, wurden die Mitochondrien als potentielles Ziel für BHB in den Fokus genommen. Die Einmalgabe von BHB verhinderte ein Absinken der Komplex – II Aktivität. Außerdem kann die Aktivität der Citratsynthase unter der Gabe von BHB erhalten werden, sodass die Mitochondrien vor allem im wichtigen Zeitraum nach der Reperfusion geschützt werden. Im Rahmen der Untersuchungen der Mitochondrien wurden unterschiedliche Substrateinflüsse auf die Respiration der isolierten Mitochondrien getestet. Bei Zugabe von BHB, Oxalacetat + Acetat oder Citrat zu dem Respirationsmedium stieg die Respiration der Mitochondrien an. Im Falle von Glukose, Propranolol oder Acetat wird die Respiration verringert. Bei Zugabe von Laktat, verbleibt die Respiration auf Ausgangsniveau. Abschließend ist festzustellen, dass die Einzelgabe von BHB nach 24 h das Verhalten der Mäuse verbessert, eine milde Ketose induziert, sowie Mitochondrien und die Citratsynthase gegen ischämische Ereignisse schützt.
Um die in dieser Arbeit gezeigten Daten über metabolische Veränderungen zeigen zu können, musste eine vorherige Etablierung der GC – MS Analytik vollzogen werden. Auf der einen Seite musste die Probenvorbereitung, aber auch die gesamte Vermessung der Proben aufgebaut werden. Es wurden insgesamt 11 Analyte in vier unterschiedlichen Kompartimenten quantifiziert. Die Nachweisgrenze lag bei diesen 11 Analyten bei 0,01 - 1 ng/µl, was einer umgerechneten Stoffmengenkonzentration von 0,5 - 10 µM entspricht. Mithilfe dieser Methode können optional weitere Substanzen aus verschiedenen Geweben zugänglich gemacht werden. Diese Arbeit bietet hierzu eine Anleitung, wie die Etablierung erfolgen kann. Im Rahmen der Probenvorbereitung wurden alle Schritte systematisch verbessert. Dazu wurden Wiederholungsmessungen für unterschiedliche Modalitäten vollzogen. Die Abundance und die Zeitbeständigkeit waren die wesentlichen Beurteilungskriterien. So wurden die Daten für die Extraktionseffektivität, die Lösungsmittelabhängigkeit der Silylierung, der Zusatz von Hünig - Base sowie die Temperatur und Zeitabhängigkeit der Silylierung in dieser Arbeit erarbeitet. Die Quantifizierung wurde anhand von internen Standardverbindungen durchgeführt. Die jeweiligen Response – Faktoren blieben über die gesamte Zeit nach der Etablierung konstant und erlaubten die Quantifizierung mit geringen Fehlern. Die Beurteilung der ermittelten Daten über die Validierung wurden anhand von geltenden Regelwerken der pharmazeutischen Industrie entschieden. Es wurde ein Protokoll entwickelt, das im Rahmen der universitären Forschung eine vertrauenswürdige Aussage über Veränderungen von Metabolitenspiegeln in vielen Geweben der Maus und der Ratte geben kann.
G-protein coupled receptors (GPCRs) are a predominant class of cell-surface receptors in eukaryotic life. They are responsible for the perception of a broad range of ligands and involved in a multitude of physiological functions. GPCRs are therefore of crucial interest for biological and pharmaceutical research. Molecular analysis and functional characterisation of GPCRs is frequently hampered by challenges in efficient large-scale production, non-destructive purification and long-term stability. Cell-free protein synthesis (CFPS) provides new production platforms for GPCRs by extracting the protein synthesis machinery of the cell in an open system that allows target-oriented modulations of the synthesis process and direct access to the nascent polypeptide chain. CFPS is fast, reliable and highly adaptable. Unfortunately, highly productive cell-free synthesis of GPCRs is often opposed by low product quality. This thesis was aimed to adapt and improve some of the new possibilities for the cell-free production of GPCRs in high yield and quality for structural and pharmaceutical analysis. An E. coli based CFPS system was applied to synthesise various turkey and human Beta-adrenergic receptor (Beta1AR) derivatives as well as human Endothelin receptors type A and B (ETA and ETB) constructs. Both receptor families are important drug targets and pharmacologically addressed in the treatment of several cardiovascular diseases. CF-synthesis was mainly performed in presence of nanodiscs (ND), which are reconstituted high density lipoprotein particles forming discoidal bilayer patches with a diameter varyring from 6 to approx. 15 nm. The supplementation of ND in the CF-synthesis reaction caused the co-translational solubilisation of the freshly synthesised GPCRs. The fraction of the solubilised GPCR that was correctly folded was analysed by the competence to bind its ligand alprenolol or Endothelin-1, respectively. Both the solubilisation efficiency and the ability to fold in a ligand binding competent state was strongly affected by the lipid composition of the supplied ND. Best results were generally achieved with lipids having phosphoglycerol headgroups and unsaturated fatty acid chains with 18 carbon atoms. Furthermore, thermostabilisation by introduction of point mutations had a large positive impact on the folding efficiency of both Beta1AR and ETB receptor. Formation of a conserved disulphide bridge in the extracellular region was additionally found to be crucial for the function of the ETB receptor. Disulphide bridge formation could be enhanced by applying a glutathione-based redox system in the CFPS. Further improvements in the quality of ETB receptor could be made by the enrichment of heat-shock chaperones in the CF-reaction. Depending on the receptor type and DNA-template, roughly 10 – 30 nmol (350 – 1500 µg) of protein could be synthesised in 1 ml of CF-reaction mixture. After the applied optimisation steps, the fractions of correctly folded receptor could be improved by several orders of magnitude and were finally in between 35% for the thermostabilised turkey Beta1AR, 9% for the thermostabilised ETB receptor, 6.5% for the non-stabilised ETB receptor, 1 - 5% for non-stabilised turkey Beta1AR and for human Beta1AR isoforms and 0.1% for ETA receptor. Therefore, between 2 and 120 µg of GPCR could be synthesised in a ligand binding competent form, depending on the receptor and its modifications. Correctly folded turkey Beta1AR and ETB receptors were thermostable at 30°C and could be stored at 4°C for several weeks after purification. Yields of the thermostabilised turkey Beta1AR were sufficient to purify the receptor in a two-step process by ligand-binding chromatography to obtain pure and correctly folded receptor in the lipid bilayer of a ND. Furthermore, a lipid dependent ligand screen could be demonstrated with the turkey Beta1AR and significant alterations in binding affinities to currently in-use pharmaceuticals were found. The established protocols are therefore suitable and highly competetive for a variety of applications such as screening of GPCR ligands, analysis of lipid effects on GPCR function or for the systematical biochemical characterisation of GPCRs. Most promising for future approaches appears to address the suspected bottlenecks of intial insertion of the GPCR-polypeptide chain in the ND bilayer and the thermal stability of the receptors. Nevertheless, the estabilised protocols for the analysed targets in this thesis are already highly competitive to previously published production protocols either in cell-based or cell-free systems with regard to yield of functional protein, speediness and costs. Moreover, the direct accessibility and other general characteristics of cell-free synthesis open a large variety of possible applications and this work can therefore contribute to the molecular characterisation of this important receptor type and to the development of new pharmaceuticals.
Metal ions as novel polarizing agents for dynamic nuclear polarization enhanced NMR spectroscopy
(2017)
High-spin complexes of Gd(III) and Mn(II) were introduced as polarizing agents (PAs) for solid-state dynamic nuclear polarization (DNP) in 2011. This dissertation was undertaken in 2013, with the intention of exploring these PAs further. Major goals of this work were to understand their DNP mechanism(s) and explore their application in biomolecular research. This cumulative thesis details the methods, advantages, and practical implications of using high-spin PAs for MAS DNP. Data from electron paramagnetic resonance (EPR) and NMR spectroscopy are discussed for a complete understanding of DNP mechanisms.
Out of the two main mechanisms − solid effect (SE) and cross effect (CE − active under experimental conditions of solid-state DNP, commonly used nitroxide PAs evoke CE owing to their broad EPR spectra. On the other hand, DNP mechanisms evoked by high-spin metal ions seem non-trivial due to additional features (originating from spin-orbit coupling or zero field splitting) in their EPR spectra. The features of the EPR signal generally influence the shape of enhancement profiles. Therefore, the metal ion with a simpler EPR signal i.e., Gd(III) , is chosen as the starting point for the investigation of DNP mechanisms. Varying concentrations (2, 10, 20 mM) of a water-soluble and stable complex Gd-DOTA was dissolved as the PA in a glycerol-water solution of 13C,15N - urea. Field profiles of DNP enhancement on each nuclear type (1H, 13C, and 15N) establishes SE as the active DNP mechanism at the smallest PA concentration (2 mM). This confirms the theoretical predictions that narrow line width of the Gd(III) EPR signal arising from the central transition (CT, ms = -1/2 +1/2) allows for resolved SE DNP. However, that is no longer the case at higher PA concentrations of 10 and 20 mM. At higher Gd(III) concentrations, the CE mechanism contributes significantly and varies with nuclear Larmor frequency (ωn) of the concerned nuclei. The enhancement maxima shifts towards the EPR resonance as the contribution from CE increases. This shift is evident in the field profiles of 15N and 13C, whereas that of 1H is least influenced. This observation can be explained by combining theoretical estimates with the experimental data; the CE is evoked by increased dipolar coupling (Dee) – a prerequisite for CE – between neighboring Gd(III) spins as the statistical inter-spin distance shortens at elevated concentrations. This finding is important because the knowledge of active DNP mechanisms is essential for accurate interpretation of results from DNP experiments.
From the experiments on Gd-DOTA it becomes clear that concentration, inter-spin distances, and hence induced Dee are intertwined. In order to explicitly address the influence of inter-spin distances on DNP mechanisms we started a collaboration with the group of Adelheid Godt (Bielefeld). In this collaborative project, bis-complexes of the type Gd(III)-spacer-Gd(III) with variable spacer lengths were investigated. These PAs provided an excellent model system where the influence of only inter-spin distances can be determined for a fixed Gd(III) concentration. A small PA concentration of 4 mM is used to ensure absence of significant inter-molecular dipolar interactions. A mono-Gd complex of similar geometry and chemistry is taken as a reference for SE DNP.
The mono-Gd complex yields enhancements arising from SE as expected from negligible inter-molecular Dee. The contribution of CE increases as the inter-spin distances between Gd(III) ions become shorter going from 3.4 nm 2.1 nm 1.4 nm 1.2 nm due to corresponding increase in Dee. The extent of CE on ωn follows the same trend as for Gd-DOTA. Highest CE contribution is observed on nuclei with the smallest ωn 15N because smaller ωn approaches the width of the EPR signal, this is an additional requirement for CE DNP.
The field position for maximum DNP enhancement corresponding to Gd-DOTA, is used for DNP experiments on Ubiquitin with an attached Gd-tag as PA. The success of DNP on this sample illustrates the possibility of site-directed DNP with metal ions tags as PAs. As a perspective Gd-tags can be used to examine change in conformation of a protein that would give higher enhancements due to CE if two Gd(III) labeled domains are closer in space. In a separate project, Mn(II) (s=5/2) bound to the divalent site of a hammerhead ribozyme was used as a PA which resulted in the first demonstration of intra-complex DNP using an intrinsically bound metal ion PA.
Die humane 5-LO ist das Schlüsselenzym in der LT-Biosynthese. LTs sind wichtige Entzündungsmediatoren und sind in einer Vielzahl von Krankheiten involviert, u. a. Asthma, Atherosklerose, rheumatische Arthritis, Sepsis, allergischen Reaktionen und in vielen Krebsarten. Die Struktur der 5-LO besteht aus 673 Aminosäuren und besitzt ein Molekulargewicht von 78 kDa. Sie ist in zwei Domänen unterteilt: die kleinere C2-ähnliche regulatorische Domäne (C2ld) und der größeren katalytischen Domäne. Die 5-LO besitzt NIS und NES, die für die zelluläre Lokalisation der 5-LO verantwortlich sind. Außerdem wird die Lokalisation noch von Phosphorylierungsstellen reguliert, die auf der katalytischen Domäne identifiziert werden konnten. 2011 konnten Häfner et al. zeigen, dass die 5-LO in der Lage ist Homodimere zu bilden.
Wie für die meisten anderen humanen Gene konnten auch bei der 5-LO alternative Spleißvarianten identifiziert werden. Schon 1992 konnten die ersten unterschiedlich gesüleißten Transkripte in Hirntumoren und differenzierten HL-60-Zellen gefunden werden. Später konnten weitere Isoformen in verschiedenen Zelllinien entdeckt werden.
In der vorliegenden Arbeit wurden die alternativen Spleißvarianten 5-LO∆13, 5-LO∆4 und 5-LOp12 untersucht und charakterisiert. Auf mRNA-Ebene wurde die Expression des 5-LO-WT und deren Isoformen sowohl in B- und T-Zelllinien als auch primären B- und T-Zellen, monozytären Zelllinien und primäre Monozyten aus Patientenproben (RA und Sepsis) untersucht. Es wurde festgestellt, dass das Expressionsprofil der 5-LO-Varianten zellspezifisch ist. Im Vergleich zu den T-Zellen konnte in B-Zelllinien ein höheres Expressionslevel detektiert werden. Des Weiteren zeigte sich interessanterweise ein stark erhöhtes Expressionslevel in primären Monozyten von RA- und Sepsis-Patienten.
Untersuchungen der 5-LO-Aktivität ergaben unterschiedliche Ergebnisse, abhängig von der Transfektionsmethode. Als transiente Transfektion diente die Calciumphosphat-Methode. Für die stabile Integration der HEK293T-Zellen wurde die Sleeping Beauty-Methode gewählt. Hierfür wurden Proteine mit einem GFP bzw. mCherry-Tag (GFP-5-LO-WT, mCherry∆13, mCherry∆4, mCherryp12) verwendet, um diese mittels Konfokalmikroskop visualisieren zu können. Nach transienter Transfektion konnte eine Inhibition der 5-LO-Aktivität nach Kotransfektion mit jeweils einer Isoform gemessen werden. Nach stabiler Integration jedoch zeigte sich eine Steigerung der 5-LO-Produktbildung. Mit Hilfe von Western Blots wurden Expressionskontrollen angefertigt und die Menge des 5-LO-WT quantifiziert. In transient transfizierten Zellen wurde eine Erniedrigung der Expression des 5-LO-WT bestimmt, wohingegen in stabil integrierten Zellen ein Anstieg des 5-LO-WT als auch der Isoformen beobachtet werden konnte. Einerseits könnte dies einem Artefakt der Transfektionmethode zugrunde liegen, andererseits könnte es ein Hinweis darauf sein, dass sich die Proteine gegenseitig in ihrer Expression beeinflussen.
Ebenso wurde die Lokalisation der 5-LO und deren Isoformen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die 5-LO überwiegend im Zellkern lokalisiert ist, während alle alternativen Protein-Isoformen im Zytosol zu finden waren. Durch Ionophor-Behandlung wurde eine Translokation des 5-LO-WT an die Kernmembran detektiert, die Isoformen verblieben im Zytosol. Überraschenderweise konnte beobachtet werden, dass die Spleißvariante 5-LO∆13 mit höherer Ionophor-Konzentration ebenso in der Lage ist an die Kernmembran zu translozieren. Um eine mögliche Interaktion der 5-LO mit den Isoformen zu untersuchen, sollten alle Proteine im selben Zellkompartiment lokalisiert sein. Dafür wurden verschiedene Stimuli und Mutationen getestet. Mit der Mutante GFP-5-LO-S271A und dem Stressstimulus Sorbitol und den CaMKII/p38-Inhibotoren KN-93/SB203580 konnte eine Translokation in das Zytosol erreicht werden. Die Ergebnisse der anschließenden Aktivitätsassays zeigten, dass die Isoformen keinen Einfluss auf die Aktivität der 5-LO ausüben.
Des Weiteren wurden die Phosphorylierungen an S523 und S271 von 5-LO-WT, 5-LO∆13, 5-LO∆4 und 5-LOp12 untersucht. Es wurde herausgefunden, dass die 5-LO-Proteine unterschiedliche Phosphorylierungsmuster aufweisen. Während 5-LO-WT und 5-LO∆4 eine schwache Phosphorylierung an S271 aufzeigen, konnte eine starke Phosphorylierung der 5-LO∆13 und 5-LOp12 detektiert werden. Im Vergleich dazu zeigte lediglich die Isoform 5-LOp12 eine sehr starke Bande an der Phosphorylierungsstelle S523. Bei beiden Phosphorylierungen konnten deutlich stärkere Signale nach Kotransfektion gemessen werden. Durch Klonierung eines P2A-Linkers zwischen 5-LO und des GFP-Tags, konnten die Isoformen vom 5-LO-WT in Western Blots voneinander getrennt werden. Dies zeigte, dass es zu einer Hochregulation der Expression der alternativen 5-LO-Varianten nach Kotransfektion mit dem WT führte, aber auch, dass die stärkere Phosphorylierung nach Kotransfektion unabhängig von der Proteinmenge ist.
In dieser Arbeit soll identifiziert werden, welcher der zahlreichen Vertreter einer Arzneistoffklasse sich letztlich auf dem Markt durchsetzen kann und ob bestimmte pharmakokinetische, pharmakodynamische, klinische oder praktische Substanzeigenschaften retrospektiv für den Markterfolg einer Substanz verantwortlich gemacht werden können. Zudem stellt sich die Frage, ob und in wie fern Analogpräparate einen Nutzen in der Arzneimitteltherapie mit sich bringen, obwohl ihnen zum Zeitpunkt ihrer Markteinführung nur ein geringer Innovationsgrad zugebilligt wurde. Um derartige Rückschlüsse ziehen zu können wurden exemplarisch folgende fünf Arzneistoffklassen untersucht, die sich durch eine Vielzahl an Vertretern auszeichnen: Arsphenamine, Sulfonamide, Benzodiazepine, Glucocorticoide sowie Betablocker. Der Untersuchungszeitraum bemisst sich folglich vom Anfang des 20. Jahrhunderts, als industriell gefertigte, chemisch definierte hochpotente Wirkstoffe die Therapie zu bestimmen begannen, bis etwa zum letzten Drittel des 20. Jahrhunderts als Preise und Kostenerstattungsfragen zusätzlich zu Substanzeigenschaften für den Markterfolg mitbestimmend wurden.
This thesis primarily covers a systematic assessment of quantum chemical methods to predict accurate 19F NMR shifts for fluoroarenes and magnetic exchange coupling constant (J) in organic spin dimers which are basic building blocks for rational designing of organic magnetic materials.
One of the most important goals in chemistry is to design and synthesize molecules with optimum properties. This thesis is divided into two parts: the first part comprises of a systematic effort to find an inexpensive quantum chemical method to predict accurate 19F NMR chemical shifts (within an accuracy of 2 ppm) for perfluoraromatics. Essentially, these strenuous efforts have been devoted to find best DFT functional and basis set combination to predict accurate 19F shifts. In addition,the influence of geometrical parameters, solvents, chemical environment was also analyzed. Various correction approaches were tested to correct the calculated shifts. The influence of various functionals and basis sets was also analyzed on the correction efficiency of an individual scheme. All the NMR calculation methods already being used and correction approaches were verified to predict shifts of three different fluorine-substituted molecular sets. These structure sets include fluorobenzenes, substituted benzenes and fluorine substituted aromatic fused rings (e.g. fluorine substituted anthracene).
In the second part of this thesis, we investigated the accurate prediction of magnetic exchange couplings (J) for organic spin dimers using quantum chemical methods. We analyzed the performance of various DFT methods and various post-HF methods, such as the CASSCF, CASPT2, MSTDISD, DDCI1, DDCI2, DDCI3, and FCI to predict magnetic exchange couplings (J).
Overview of the Chapters:
Chapter 1, presents a brief theoretical introduction to the Schrödinger equation and its application in quantum mechanical calculations, the Hartree-Fock approximation, basis sets, electron correlation energy, and density functional theory (using pure and hybrid functionals).
In chapters 2 and 3, an introduction is given for quantum chemical approaches used to calculate NMR parameters and magnetic exchange coupling constants. We discuss an effective spin Hamiltonian, the Breit-Pauli Hamiltonian (BPH), chemical shielding tensor and total energy relationship, measuring of the NMR spectra, and different techniques to deal with gauge origin problem. In addition, the theoretical background of magnetic exchange coupling constant calculation for spin dimers, the Heisenberg-Dirac-van-Vleck Hamiltonian (HDVV) and the Noodelman's broken-symmetry approach for calculating J values are briefly discussed.
Chapter 4, presents a benchmark study of various DFT functionals and basis sets to calculate accurate C-F bond lengths and 19F chemical shifts. High-resolution NMR spectral data of complex molecules are often difficult to interpret. Great scientific efforts have been devoted to search for a computational approach to interpret experimental NMR data. Quantum chemical methods such as the CCSD(T) method offer high accuracy in calculation of NMR parameters but being computationally too demanding they cannot be applied to large chemical systems. On the other hand, density functional theory (DFT) is achieving a steady progress among diversity of computational techniques. An accuracy within 2 ppm deviation from the experimental values in 19F chemical shifts can be achieved if the NMR calculation is performed using accurate equilibrium geometries, GIAO is used to tackle gauge origin problem and electron correlation is properly treated by employing a high level of theory (e.g. CCSD (T)/cc-pVQZ). We found that the calculation of 19F shielding tensors with the density-functional theory does not provide any noticeable improvement over the HF method. Post-HF theory demands too much computational resources that makes them impossible to use for large systems [35] .
We found that a quantitative prediction of NMR shifts can be made as the errors introduced by theoretical methods are cancelled out while calculating shifts. Various benchmark studies in this thesis show that 19F chemical shifts calculated for perfluoraromatics with the M06-L, BHandH, BHandHLYP in combination with the 6-311+G (2d,p) basis set are within 4 ppm deviation from the experiments. Furthermore, we noted that NMR calculations on accurate
C-F (e.g. PBE/6-311G (d, p)) bond lengths does not show any improvement if the NMR calculation and optimization are performed at the same level of theory. A significant improvement can be achieved on calculated 19F NMR shifts, if some correction schemes are used.
In chapter 4 we discuss various correction schemes applied to correct the calculated 19F chemical shifts. A multi-standard approach (MSTD) was used to minimize the error that may occur due to the difference in the nature of the reference compound and test molecules [122]. We propose another approach to correct shielding constants which is the reference corrected approach. This approach makes a correction similar to the MSTD. We also tested a Linear Regression Correction Approach and we noted that this is the best approach amongst all. This is found to be less dependent on the theoretical method. We use conformation averaging corrections to correct the calculated shifts[126].
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The composition of cellular membranes is extremely complex and the mechanisms underlying their homeostasis are poorly understood. Organelles within a eukaryotic cell require a non-random distribution of membrane lipids and a tight regulation of the membrane lipid composition is a prerequisite for the maintenance of specific organellar functions. Physical membrane properties such as bilayer thickness, lipid packing density and surface charge are governed by the lipid composition and change gradually from the early to the late secretory pathway. As the endoplasmic reticulum (ER) is situated at the beginning of the cells secretory pathway, it has to accept and accommodate a great variety and quantity of secretory and transmembrane proteins, which enter the ER on their way to their final cellular destination. Secretory proteins can be translocated into the lumen of the ER co- or posttanslationally and membrane proteins are being inserted and released into the ER membrane. In the oxidative milieu of the ER-lumen, supported by a variety of chaperones, proteins can fold into their native form.
If the folding capacity of the ER-lumen is exceeded, an accumulation of mis- or unfolded proteins in the lumen of the ER occurs, consequently triggering the unfolded protein response (UPR). This highly conserved program activates a wide-spread transcriptional response to restore protein folding homeostasis. In fact, 7 – 8% of all genes in the yeast Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) are regulated by the UPR. The mechanism underlying the activation of the UPR by protein folding stress has been investigated thoroughly in the last decades and many of its mechanistic details have been elucidated. Recently, it became evident that aberrant lipid compositions of the ER membrane, collectively referred to as lipid bilayer stress, are equally potent in activating the UPR. The underlying molecular mechanism of this membrane-activated UPR, however, remained unclear.
This study focuses on the UPR in S. cerevisiae and characterizes the inositol requiring enzyme 1 (Ire1) as the sole UPR sensor in S. cerevisiae. Active Ire1 forms oligomers and, collaboratively with the tRNA ligase Rlg1, splices immature mRNA of the transcription factor HAC1, which results in the synthesis of mature HAC1 mRNA and the production of the active Hac1 protein, which binds to UPR-elements in the nucleus and activates the expression of UPR target genes. Here, the combination of in vivo and in vitro experiments is being used, which is supplemented by molecular dynamics (MD) simulations performed by Roberto Covino and Gerhard Hummer (MPI for Biophysics, Frankfurt), aiming to identify the molecular mechanism of Ire1 activation by lipid bilayer stress. This study focuses on the analysis of the juxta- and transmembrane region of Ire1. Bioinformatic analyses revealed a putative ER-lumenal amphipathic helix (AH) N-terminally of and partially overlapping with the transmembrane helix (TMH). This predicted AH contains a large hydrophobic face, which inserts into the ER membrane, forcing the TMH into a tilted orientation within the membrane. The resulting unusual architecture of Ire1’s AH and TMH constitutes a unique structural element required for the activation of Ire1 by lipid bilayer stress.
To investigate the function of the AH in the physiological context, different variants of Ire1 were produced under the control of their endogenous promoter and from their endogenous locus. The functional role of the AH was tested, by disrupting its amphipathic character by the introduction of charged residues into the hydrophobic face of the AH. The role of a conserved negative residue between the TMH and the AH (E540 in S. cerevisiae) was tested by substituting it by a unipolar, polar, or positively charged residue. These variants were intensively characterized using a series of assays:
This thesis provides evidence that the AH is crucial for the function of Ire1: Mutant variants with a disrupted (F531R, V535R) or otherwise modified AH (E540A) exhibited a lower degree of oligomerization and failed to catalyze the splicing of the HAC1 mRNA as the Wildtype control. Likewise, the induction of PDI1, a target gene of the UPR, was greatly reduced in mutants with a disrupted or defective AH. These data revealed an important functional role of the AH for normal Ire1 function.
An in vitro system was established to analyze the membrane-mediated oligomerization of Ire1. This system enabled the isolated functional analysis of the AH and TMH during Ire1 activation by lipid bilayer stress. A fusion construct, coding for the maltose binding protein (MBP) from Escherichia coli (E. coli), N-terminally to the AH and TMH of Ire1 was produced. The heterologous production in E. coli, the purification and reconstitution of this minimal sensor of Ire1 in liposomes was established as part of this study. To analyze the oligomeric status of the minimal sensor in different lipid environments, continuous wave electron paramagnetic resonance (cwEPR) spectroscopic experiments were performed. These experiments revealed that the molecular packing density of the lipids had a significant influence of the oligomerization of the spin-labeled membrane sensor: increasing packing densities resulted in sensor oligomerization. The AH-disruptive F531R mutant, in which the amphipathic character of the AH was destroyed, showed no membrane-sensitive changes in its oligomerization status.
Thus, the activation of Ire1 by lipid bilayer stress is achieved by a membrane-based mechanism. According to the current model, the AH induces a local membrane compression by inserting its large hydrophobic face into the membrane. As membrane thickness and acyl chain order are interconnected, this compression simultaneously results in an increased local disordering of lipid acyl chains. Supporting MD simulations performed by Roberto Covino and Gerhard Hummer revealed that the bilayer compression is significantly more pronounced in a densely packed lipid environment, than in a lipid environment of lower lipid packing density. Hence, the energetic cost of the local compression increases with the packing density of the membrane, but is compensated for by the oligomerization of Ire1. This minimization of energetic cost induced by the membrane deformation of Ire1 forms the basis for the activation of Ire1 by lipid bilayer stress.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Inhibitoren der bakteriellen Resistenzproteine New Delhi Metallo-β-Lactamase 1 (NDM-1), die beiden Mutanten der Verona-Integron Encoded Metallo-β-Lactamase 1 und 2 (VIM-1, bzw. -2), sowie die Imipenemase 7 (IMP-7) entwickelt.
Auf Grund natürlicher Selektion, aber vor allem auch bedingt durch den unüberlegten und verschwenderischen Einsatz von β-Lactam-Antibiotika, ist eine weltweite Zunahme an multiresistenten Erregern zu beobachten. Einer der Hauptgründe dieser Resistenzen sind die Metallo- β-Lactamsen (MBL), welche vor allem in Gramnegativen Bakterien vertreten sind und für die Hydrolyse und damit der Desaktivierung der β-Lactam-Wirkstoffe verantwortlich sind. Neben der Suche nach anderweitig wirkenden Antibiotika, ist die Entwicklung von Inhibitoren der MBLs von vordringlicher Bedeutung.
Basierend auf der Grundstruktur des ACE-Hemmers Captopril, wurden trotz synthetischer Herausforderungen erfolgreich mehrere Strukturen mit inhibitorischer Aktivität gegenüber den MBLs synthetisiert. Der Prolinring von Captopril wurde in einer neuen Variante der Captopril-Synthese durch verschiedene Ring- und nicht cyclische Teilstrukturen ersetzt. Durch die Entwicklung einer Schutzgruppenstrategie, konnte die Ringstruktur durch einen Piperazin-Rest ersetzt werden. Dies erlaubt es, die Molekülstruktur auf dieser Seite zu erweitern. Des Weiteren wurde eine neue Syntheseroute etabliert, welche es auf elegante Weise ermöglicht, weitere Derivatisierungen an der Methylgruppe des Captoprils durchzuführen.
In einem proteinbasierten Testsystem wurden die synthetisierten Substanzen auf ihr inhibitorisches Potential hin untersucht. Dabei wurden IC50-Werte im niedrig einstelligen mikromolaren, für drei Verbindungen sogar im sub-mikromolaren Bereich ermittelt. Die erhaltenen Ergebnisse wurden für die drei aktivsten Inhibitoren durch eine Erhöhung des Schmelzpunktes in einem TSA-Testsystem erfolgreich verifiziert. Mittels ITC-Untersuchungen konnte die unterschiedlichen Gewichtungen der entropischen und enthalpischen Beiträge zur Bindung der Inhibitoren an die untersuchten MBLs aufgezeigt werden. Hierdurch konnten die scheinbar widersprüchlichen Ergebnisse der ermittelten IC50-Werte und Schmelzpunktverschiebungen für die Verbindung DBDK48 bezüglich der NDM-1 aufgeklärt werden.
Die Strukturen DB320 konnte erfolgreich mit VIM-2 co-kristallisiert werden. Dies ermöglicht eine genauere Untersuchung und qualifizierte Aussagen über die Bindungsverhältnisse zwischen Protein und Ligand.
Für zwei der synthetisierten Inhibitoren sollte untersucht werden, ob deren Aktivität in vitro auch in Bakterien erhalten bleibt. Dazu wurden pathogene klinische Isolate und Laborstämme, welche mit dem Resistenzplasmid transfiziert wurden, und gegen Imipenem resistent sind, herangezogen. Durch die Zugabe der Inhibitoren konnte die Wirksamkeit von Imipenem wiederhergestellt werden.
Es konnte eine HPLC-Methode etabliert werden, welche eine Abschätzung der Polaritäten in Abhängigkeit der Retentionszeiten erlaubt. Dadurch konnte ein direkter Zusammenhang zwischen der Polarität der Verbindungen und dem Grad der Wirksamkeit im MIC-Testsystem aufgezeigt werden.
Durch die Untersuchung der Inhibitoren auf die Proteine ACE und LTA4H, konnten zwei Ziel-Proteine der Captopril-Grundstruktur als unerwünschte Nebenziele ausgeschlossen werden. Des Weiteren führte die Behandlung von U937-Zellen, selbst bei einer hohen Konzentration von 100 µM, weder zu Auffälligkeiten in einem WST-1 Assay, noch zu einer erhöhten Freisetzung von LDH. Daher kann davon ausgegangen werden, dass die Verbindungen über keine zytotoxischen Eigenschaften verfügen.
The focus of this research was to understand the molecular mechanism that lies behind the insertion of tail-anchored membrane proteins into the ER membrane of yeast cells. State-of-art instruments such as LILBID, and Cryo-EM, combined with the introduction of direct electron detectors, were used to analyze the proteins that capture tail-anchored proteins near the ER membrane and help their releases from a chaperone, an ATPase named Get3. Get3 escorts TA proteins to the ER membrane, where both Get3 and the TA proteins interact sequentially to Get3 membrane bound receptors Get1 and Get2. Get1 and Get2 are homologs of mammalian WRB and CAML.
The native host was used to separately produce Get1, Get2, and the Get2/Get1 single chain constructs. The studies showed that when Get1 is expressed alone, Get1 does not seems to be located in the ER membrane but rather in microbodies like shape organelles (or peroxisome). Interestingly, Get1 seems to be located in the ER membrane when it is linked to Get2 as single chain construct.
The localization study of Get2/Get1 fused to GFP shows from the fluorescence intensity that Get2/Get1.GFP has a tube-like morphology or membrane-enclosed sacs (cisterna), implying that Get2/Get1 is actually targeted to the ER membrane and is likely functional. In other words, Get1 and Get2 stabilize each other in the ER membrane.
The expression of Get2/Get1 was found to be already optimum when expressed as single chain construct because the fluorescence counts did not improve when additives such as DMSO or histidine were added. However, when Get1 and Get2 are expressed separately, additives improve their protein production yield. In 1 liter culture, Get1 yield is increased by about 3 mg and Get2 by 1.8 mg. This can be explained by the space that Get1 and Get2 should occupy within the ER membrane as they must coexist with other membrane components to maintain the homeostasis of the cell. Hence, if there were no gain for single chain construct expression, it meant that Get2/Get1 was already well expressed on its own in ER membrane and has reached its optimum expression without the help of additives. The Get2/Get1 overexpression is more stable, tolerated and less toxic for the cells to express it at a high level.
DDM has proved to be the best detergent from the detergents tested to solubilize Get1, Get2, and Get2/Get1.
Thereafter, Get1, Get2 (data not shown), and Get2/Get1 were successfully purified in DDM micelles.
Furthermore, for the first time using LILBID, the actual study has shown that Get1 and Get2 are predominantly a heterotetramer (2xGet1 and 2xGet2) but higher oligomerization may exist as well.
Get3 binds to Get1 in a biphasic way with a specific strong binding of an affinity of 57 nM and the second of 740 nM nonspecific indicative of heterogeneity within the interaction between Get1 and Get3. This heterogeneity is caused by the presence of different conformation of either protein. However, in order to characterize a high-resolution structure model of a specific target one needs highly homogenous and identical molecules of the target protein or complex in solution. The homogeneity increases the chances of growing crystals during crystallography as the good homogeneity will likely generate a perfect packing of unit cells stack (also known as crystal lattice) in the three-dimensional spaces. The same truth goes for the single particles analysis Cryo-EM, especially for smaller complexes where having less or no conformation alterations of specific targets will enable the researcher to classify the particles in 2D and 3D, therefore improving the signal-to-noise-ratio that will ultimately lead to high-resolution structure determination.
Get1, Get2/Get1 and chimeric variants (tGet2/Get1, T4l.Get2/Get1, T4l.Get2.apocyte.Get1) were crystallized but none of the crystals could diffract due to heterogeneity.
This heterogeneity was not only occurring upon the binding of Get3 to its membrane receptors, but seems to be already present within the receptors themselves through possibly different conformation.
In this Ph.D. thesis, the heterogeneity of purified Get2 and Get1 as complex or individually in detergent is then, so far, the limiting factor for obtaining a high-resolution structure model of Get1 and Get2. As mentioned above, the heterogeneity observed was not due to the quality of the sample preparation but rather to the effect of different conformations that could have been native, or just because of the micelle used, as it was proven by the 3-D heterogeneity classification by Cryo-EM.
In general, crosslinking is one way to keep the integrity of protein complexes, however it appeared not to improve the sample quality when it was analyzed in micelles. Often the integrity of some membrane proteins is affected when they are solubilized and purified in detergents.
Finally, in this study, the structural map of Get2 and Get1 complex linked with chimeric protein T4 lysozyme and apocytochrome C b562RIL gene was obtained at 10 Å. However, this single chain construct has a density map corresponding to heterodimer species (one Get1 and Get2). Therefore, based on those data the tertiary structure of Get2/Get1 in micelle is poorly defined. It could be that the membrane extraction in DDM and the purification destabilizes the structure of the complex.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Dynamik zweier grundlegend verschiedener, deaktivierender Mechanismen von Retinalproteinen untersucht. In einem dritten Projekt wurde die Photodynamik einer Dreifachmutante von visuellem Rhodopsin erforscht, von der eine Mutation zu kongenitaler (angeborener) Nachtblindheit führt und zwei andere Mutationen das Protein über eine Disulfidbrücke stabilisieren. Die Ergebnisse dieser drei Projekte sind im Folgenden zusammengefasst.
Die Aktivität des mikrobiellen Proteorhodopsins als lichtgetriebene Protonenpumpe kann photoinduziert unterbunden werden. Dies erfolgt durch die Absorption von blauem Licht durch das Retinal bei deprotonierter Schiff‘schen Base. Vor dieser Arbeit war allerdings nur wenig über den Mechanismus und die Kinetik dieses Effekts bekannt. Das einzige Retinalprotein, an dem diese Deaktivierungsdynamik auf molekularer Ebene zeitaufgelöst untersucht wurde, ist Bakteriorhodopsin. Doch auch an diesem System wurde die ultraschnelle Primärreaktion in der photoinduzierten Deaktivierungsdynamik - die Photoisomerisierung des 13-cis-Retinals - bisher nicht zeitaufgelöst gemessen.
In dieser Arbeit wurde ein Weg gefunden, diesen Prozess auf einer Sub-Pikosekundenzeitskala zu detektieren. Dazu wurde eine Proteorhodopsinmutante genutzt, in der der primäre Protonendonor E108 durch Glutamin ersetzt ist. Diese Mutante weist eine signifikante Erhöhung der Lebensdauer des M-Intermediats auf. Im photostationären Gleichgewicht führt diese veränderte Kinetik zu einer erheblich erhöhten Akkumulation des Proteins im M-Zustand, die ausreicht, um photoinduzierte Absorptionsänderungen der Deaktivierungsdynamik sowohl im sichtbaren als auch im mittleren Infrarotbereich auf ultrakurzer Zeitskala zu detektieren. Dieses Projekt erfolgte in Kooperation mit dem Arbeitskreis Glaubitz (Goethe-Universität Frankfurt am Main).
Es zeigte sich, dass die Anregung des Retinals von Proteorhodopsin im M-Zustand zur Isomerisierung von 13-cis zu all-trans führt, die nach wenigen Pikosekunden abgeschlossen ist. Der zweite und abschließende Schritt ist die Reprotonierung der Schiff'schen Base. Es stellte sich heraus, dass dieser Prozess auf einer Nanosekundenzeitskala abläuft und über einen Protonentransfer vom primären Protonenakzeptor D97 zur Schiff'schen Base ermöglicht ist.
Die in dieser Arbeit vorgestellte Methodik zur Untersuchung der deaktivierenden Photodynamik von Proteorhodopsin auf ultraschneller Zeitskala, könnte in Zukunft auf weitere mikrobielle Rhodopsine angewandt werden. So ist die Studie der Deaktivierungsdynamik von Channelrhodopsinen von großem Interesse für optogenetische Anwendungen. Eine lichtgesteuerte Kontrolle der Ionenkanalöffnung und -schließung sollte die Präzision in der Regulierung ionischer Permeation erheblich verbessern.
Die Proteorhodopsinmutante E108Q wurde außerdem in ihrer primären Photodynamik sowohl bei grünem als auch blauem Anregungslicht untersucht. Es zeigte sich in beiden Fällen eine Dynamik, die der des Wildtyps sehr ähnlich ist. Eine Beobachtung unterscheidet sich jedoch wesentlich vom Wildtyp. Das K-Intermediat der E108Q-Mutante scheint nach einigen hundert Pikosekunden zumindest partiell zu zerfallen, woraufhin sich eine Signatur im blauen Spektralbereich bildet. Blitzlichtphotolysemessungen lassen vermuten, dass diese blau absorbierende Species im zwei- bis dreistelligen Nanosekundenbereich wieder zerfallen sein muss.
Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Photozerfall von visuellem Rhodopsin. Es ist bekannt, dass die Signaltransduktion durch Wechselwirkung zwischen aktiviertem Rhodopsin und Arrestin unterbunden wird. Im ersten Abschnitt wurde der Einfluss der Arrestin-1-Variante p44 auf die Photodynamik visuellen, bovinen Rhodopsins untersucht. In einer Kooperation mit dem Arbeitskreis Schwalbe (Goethe-Universität Frankfurt am Main) konnte gezeigt werden, dass Arrestin erheblichen Einfluss auf die Zerfallsdynamik von Meta II und Meta III hat. Es wurde festgestellt, dass die Wechselwirkung von p44 mit photoaktiviertem Rhodopsin eine erhöhte Population des Intermediats Meta III bewirkt, mit der Folge einer zweifach langsameren Freisetzungskinetik des all-trans-Retinals. Diese Beobachtung weist auf eine physiologische Rolle des Zustands Meta III in der Retinalhomöostase hin.
Gegenstand einer zweiten Studie mit dem Arbeitskreis Schwalbe ist zum einen die Rhodopsinmutation G90D, die mit kongenitaler (angeborener) stationärer Nachtblindheit zusammenhängt, und zum anderen die Doppelmutation N2C und D282C, die zur Ausbildung einer stabilisierenden Disulfidbrücke zwischen den im extrazellulären Bereich eingeführten Cysteinen führt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Photodynamik des Wildtyps, der Doppelmutante und der stabilisierten G90D-Mutante (Mutationen G90D, N2C und D282C) sowohl auf einer ultrakurzen Zeitskala als auch auf einer Minutenskala untersucht.
Structural biology often employs a combination of experimental and computational approaches to unravel the structure-function paradigm of biological macromolecules. This thesis aims to approach this combination by the application of Pulsed Electron-Electron Double Resonance (PELDOR/DEER) spectroscopy and structural modelling. In this respect, PELDOR spectroscopy in combination with site-directed spin labelling (SDSL) of proteins is frequently used to gain distance restraints in the range from 1.8 to 8 nm. The inter-spin distance and the flexibility of the spin labelled protein domains are encoded in the oscillation and the dampening of the PELDOR signal. The intrinsic flexibility of the commonly used MTSSL (1-Oxyl-2,2,5,5-tetramethylpyrroline-3-methyl) spin label itself can be an obstacle for structural modelling if the flexibility of the label is large compared to the flexibility of the protein domains. In this thesis the investigation of two multi-domain proteins by the 4-pulse PELDOR sequence is presented. At first, the N-terminal polypeptide transport-associated (POTRA) domains of anaOmp85, a rigid three domain protein, giving well-defined PELDOR distance restraints, is investigated. The experimental restraints are used for structure refinement of the X-ray structure and reveal a strong impact of the intrinsic flexibility of MTSSL on the accuracy of structural refinement. The second example, K48-linked diubiquitin, is a highly flexible multi-domain protein on which the flexibility of MTSSL is of minor impact on structural modelling. In this case, the distance restraints are utilized to determine conformational ensembles. Due to the high intrinsic flexibility already characterizing diubiquitin the recently developed 7-pulse Carr-Purcell (CP) PELDOR sequence was applied to investigate longer ubiquitin chains. This sequence enables to measure dipolar oscillations with an extended time window, allowing a good separation between inter- and intramolecular contributions even for long distance and broad conformational distributions, thereby providing an increased accuracy of the obtained distance distributions.
This thesis reports on the results obtained by expression photoactivatable adenylyl cyclase from Beggiatoa spp. (bPAC) in cholinergic neurons from Caenorhabditis elegans (C. elegans) and the characterization of the role of a single neuron, RIS, during locomotion in the adult animal.
Pharmacological activation of adenylyl cyclases through Forskolin is known to induce increased neuronal output in diverse model organisms through a protein kinase A (PKA) dependent mechanism. Nevertheless, pharmacological assays are not spatially restricted, do not allow for precise and acute activation nor to cessation of the signal. Thus, an optogenetic approach for was selected trough the expression of photoactivatable adenylyl cyclase from Beggiatoa spp. (bPAC) in cholinergic neurons of Caenorhabditis elegans (C. elegans). This model organism was chosen due to its transparency, ease of maintenance, fast generation cycles as well as for being an eutelic animal. Further, its genome has been fully sequenced and the connectome of the neuronal network is known, thus allowing for precise analysis of neuronal function. Furthermore, the molecular mechanisms governing neuronal functions are well conserved up to primates. Mainly two optogenetical tools were applied, bPAC and the light gated cation channel channelrhodopsin 2 (ChR2).
Behavioral assays of bPAC photostimulation in cholinergic neurons recapitulated previous work performed with the photoactivatable adenylyl cyclase from Euglena gracilis (EuPACa), in which swimming frequency and speed on solid substrate were increased. Electrophysiological recordings of body wall muscle (BWM) cells by Dr. Jana F. Liewald showed that bPAC photoactivation led to an increase in miniature postsynaptic current (mPSC) rate and, in contrast to ChR2 invoked depolarization, also amplitude. Analysis of mutants deficient in neuropeptidergic signaling (UNC- 31) via electrophysiology performed by Dr. Jana F. Liewald showed that the increase in mPSC amplitude due to bPAC photoactivation requires neuropeptide release. This was confirmed by co-expression of bPAC with the neuropeptide marker NLP-21::Venus and subsequent fluorescence analysis of release, exploiting the fact that released neuropeptides are ultimately degraded by scavenger cells (coelomocytes). These were enriched with NLP-21::Venus after bPAC photostimulation, but no fluorescence could be observed in the UNC-31 mutants.
Additional analysis of the electrophysiological data performed by myself showed no modulation of mPSC kinetics dues to neuropeptidergic release induced by bPAC. Hence, neuropeptide release and action sites were in the cholinergic neurons, the latter including cholinergic motoneurons.
Dr. Szi-chieh Yu provided electron microscopy images of high pressure frozen, bPAC or ChR2 expressing animals. These were tagged by myself for automatic analysis of ultrastructural properties of the cholinergic presynapse, also during photoactivation of both optogenetic tools. Photoactivation of both induced a reduction of synaptic vesicles, with ChR2 showing a more severe effect. In contrast to ChR2, though, bPAC also reduced the amount of dense core vesicles (DCV), the neuropeptide transporters. Additionally, long bPAC photoactivation as well as ChR2 photoactivation led to the appearance of large vesicles (LV), presumably in response to the increased SV fusion rate. bPAC photostimulation also induced an increase in SV size, not observed after ChR2 photostimulation. In UNC-31 mutants, bPAC photostimulation could not lead to the SV size increase, a further argument for the presynaptic effect of the released neuropeptide. Additional analysis of electrophysiology paired with pharmacology, performed by Dr. Jana F. Liewald, showed that mPSC amplitude increase requires the function of the vesicular acetylcholine transporter.
A further effect observed in the ultrastructure of bPAC photostimulated cholinergic presynapses was a shift in the distribution of SV regarding the dense projection. An analysis of cAMP pathway mutants showed that synapsin is required for bPAC induced behavior effects. Synapsin is known to mediate SV tethering to the cytoskeleton. Here, I show evidence for a new role of synapsin in controlling the availability of DCVs for fusion and thus, in neuropeptidergic signaling.
In the second part of my thesis I characterized the function of the GABAergic interneuron RIS in the neuronal network of C. elegans. RIS was shown to induce lethargus, a sleep-like state, during all larval molts, but its function in the adult animal was not yet described. Specific RIS expression of ChR2 achieved by a recombinase based system allowed to acutely depolarize the neuron during locomotion, which led to an acute behavioral stop. Diverse signal transduction pathway mutants were analyzed showing that the phenotype was induced by neuropeptidergic signaling. Through mutagenesis followed by whole genome sequencing data analysis as well as analysis of RIS specific RNA sequencing data further narrowed the signal transduction pathway to mediate the locomotion stop behavior. Since the neuropeptide and, to some extent, the neuron are conserved across nematodes, an argument is outlined in favor of the conservation of this sleep-like state.
In addition, since ChR2 could induce neuropeptidergic signaling from RIS, secretion of vesicles is regulated by variable pathways depending on the neuronal identity. Nevertheless, expression of bPAC in RIS allowed to optogenetically increase the probability of short stops, as observed by expression of a calcium sensor (GCaMP) in RIS and analysis of its intrinsic activity in the adult animal.