Biochemie und Chemie
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2-Chloro-5-nitroaniline
(2009)
The molecule of the title compound, C6H5ClN2O2, is close to being planar (rms deviation = 0.032 Å for all non-H atoms), with a maximum deviation of -0.107 (3) Å for an O atom. In the crystal structure, intermolecular N-H...O and N-H...N interactions link the molecules into a three-dimensional network. Key indicators: single-crystal X-ray study; T = 173 K; mean σ(C–C) = 0.002 A°; R factor = 0.023; wR factor = 0.061; data-to-parameter ratio = 11.8.
The 3,5-methoxy groups in the title compound, C16H23NO4, are almost coplanar with the aromatic ring, whereas the 4-methoxy group is bent out of this plane. The three CH3—O—C—C torsion angles are -1.51 (18), 0.73 (19) and 75.33 (15)°. The cyclohexane ring adopts a chair conformation. In the crystal, molecules are connected by intermolecular N—H ... O hydrogen bonds into chains running along the b axis.
The two rings in the title compound, C11H12N2O4S, are roughly coplanar [dihedral angle = 6.77 (8)°]. Whereas the two outer methyl groups of the three methoxy groups are almost coplanar with the aromatic ring to which they are attached [C—C—O—C torsion angles = 8.5 (3) and -8.3 (3)°], the methyl group of the central methoxy substituent is not [C—C—C—C = -78.4 (3)°]. The crystal packing is stabilized by N—H ... O hydrogen bonding.
Die somatische Gentherapie ist eine neuartige Therapieform, bei der Gensequenzen in Zielzellen eingebracht werden, um die verschiedensten Defekte auf molekularer Ebene zu beheben. Für die Entwicklung von Vehikeln, mit denen dieser Gentransfer effizient durchzuführen ist, werden in vielen Studien modifizierte Retroviren verwendet. Mit Hilfe des Transport- und Integrationsmechanismus der Retroviren ist es möglich das genetische Material stabil in das Genom der Zielzellen zu integrieren. Im Hinblick auf eine lebenslange Heilung bestimmter Erbkrankheiten können die retroviralen Vehikel auch zum Gentransfer in Stammzellen verwendet werden. Eine wichtige Rolle spielt die stabile Genexpression der eingeschleusten Sequenzen, um einen Therapieerfolg auf lange Sicht zu erreichen. In vielen Studien erfolgte jedoch eine Erniedrigung der Genexpression nach mehreren Wochen und auch das Ausbleiben der Transkription oder Translation des therapeutischen Gens konnte beobachtet werden. Das Abschalten therapeutischer Gene wird meist durch zelluläre Mechanismen hervorgerufen, hierzu gehören Methylierungen bestimmter Chromosomenabschnitte oder die Bindung von Repressormolekülen an Promotorregionen. Die Sequenzumgebung mit der das therapeutische Genmaterial in das Genom der Zielzellen integriert, ist somit besonders wichtig. Die viralen Sequenzen, die zum Einschleusen und für die Integration des therapeutischen Gens notwendig sind, tragen oft erheblich zur Expressionshemmung bei. Ein retroviraler Vektor, der nach Integration der proviralen DNA alle nicht benötigten viralen Sequenzen selbständig deletiert, würde störende Einflüsse durch umgebende Sequenzen vermindern. Das therapeutische Gen verbliebe mit wenigen viralen Sequenzen in der Zelle. Ein System, das nach Integration des therapeutischen Gens alle nicht erwünschten viralen Sequenzen selbständig und gezielt entfernt, stellt das entwickelte Cre/loxPVektorsystem dar. Dieser retrovirale Vektor enthält ein spezifisches Rekombinationssystem, das nach Integration der proviralen DNA in das Genom einer Zelle alle nicht benötigten viralen Sequenzen selbständig deletiert. Das therapeutische Gen verbleibt mit wenigen Sequenzen im Zielzellgenom. Störende Einflüsse durch transkriptionelles Silencing oder Translationshemmung durch umgebende Sequenzen werden damit vermindert. Die Anordnung der Gene und Sequenzen zur Entwicklung eines selbstdeletierenden Cre/loxP-Vektors wurde für die stabile Expression eines Markergenproduktes untersucht. Das modifizierte Gen des Nervenwachstumsfaktors LNGFR (LNGFR, engl. – Low Affinity Nerve Growth Factor Receptor) diente anstelle eines therapeutischen Gens als Modell für eine Proteinexpression in verschiedenen Zielzellen. In dieser Studie wurde ein konventionelles retrovirales Vektorsystem mit den entwickelten Cre/loxP-Vektoren verglichen. Beide Vektorsysteme integrierten das LNGFRD-Gen zusammen mit den nötigen viralen Sequenzen in das Genom der Zielzellen. Nach Integration des konventionellen Vektors blieb die Sequenzumgebung des LNGFRD-Gens erhalten. Durch das Cre/loxPVektorsystem konnten die störenden viralen Sequenzen durch den spezifischen Rekombinationsmechanismus entfernt werden und nur die LNGFRD-Expressionskassette verblieb mit wenigen Elementen im Genom der Zielzellen. Mit beiden Vektorsystemen konnte eine Expression des LNGFD-Rezeptors erreicht werden, wobei die zu erreichende Expressionshöhe des Rezeptor mit dem Cre/loxP-Vektorsystem zum Teil erhöht war, im Vergleich zum Kontrollsystem. Der Anteil an Zellen, die nach Gentransfer den LNGF-Rezeptor exprimierten, war nach einigen Modifikationen ebenfalls vergleichbar mit dem System des konventionellen Gentransfervektors. Die Verwendungsmöglichkeiten des entwickelten Cre/loxPVektorsystems sind auf vielen Gebieten denkbar. Retrovirale Vektoren werden zum einem zur Behandlung von monogenen Erbkrankheiten verwendet, bei denen das therapeutische Gen den Defekt des fehlerhaften Gens ausgleicht. Ein retroviraler Cre/loxP-Vektor könnte hierbei zu einer lebenslangen Expression des Genprodukts genutzt werden. Außerdem könnten Gene transferiert werden, die nur temporär exprimiert werden sollen. Hierzu könnte ein induzierbarer Cre/loxP-Vektor verwendet werden. Zur Bekämpfung von Krebs oder HIV werden Untersuchungen mit Apoptose-Genen und Suizid-Genen durchgeführt, die bei einer unerwünschten Immunreaktion mit Hilfe des Cre/loxPSystems eliminiert werden könnten. Für die Zell- und Gentherapie werden zur Zeit Studien zur kontrollierten Expansion von Stammzellen und Endothelzellen durchgeführt, wobei Genen verwendet werden, die diesen Zellen einen Proliferationsvorteil verschaffen. Die vollständige Abschaltung dieser Gene nach der Zellexpansion ist wünschenswert. Mit dem Cre/loxP-Vektorsystem könnte eine reversible Immortalisierung erzielt werden, was die Sicherheit einer späteren Transplantation erhöhen würde. Die Deletion weiterer viraler Sequenzen erhöht außerdem die Sicherheit des Gentransfers für eine erstrebenswerte lebenslange Integration von Gensequenzen. Die Möglichkeiten zur Mobilisierung eingeführter retroviraler Sequenzen durch Mutationen oder Rekombinationen mit endogenen Viren wird stark vermindert, da Elemente, wie das virale Verpackungssignal oder virale Genkassetten entfernt werden können. Der entwickelte Cre/loxP-Vektor ist außerdem ein selbstdeletierender Vektor, der nicht nur die spezifischen Bindestellen der loxP-Elemente enthält, sondern auch das CreGen zur Rekombination. Die spezielle Anordnung der Elemente zur Rekombination erlaubt nicht nur eine spezifische Rekombination, sondern auch die Deletion des Gens der CreRekombinase. Das Cre/loxPSystem deletiert sich somit selbständig, was einen weiteren Sicherheitsaspekt darstellt.
Phenytoin (PHT), valproic acid, and modern antiepileptic drugs (AEDs), eg, remacemide, loreclezole, and safinamide, are only effective within a maximum of 70%-80% of epileptic patients, and in many cases the clinical use of AEDs is restricted by their side effects. Therefore, a continuous need remains to discover innovative chemical entities for the development of active and safer AEDs. Ligands targeting central histamine H3 receptors (H3Rs) for epilepsy might be a promising therapeutic approach. To determine the potential of H3Rs ligands as new AEDs, we recently reported that no anticonvulsant effects were observed for the (S)-2-(4-(3-(piperidin-1-yl)propoxy)benzylamino)propanamide (1). In continuation of our research, we asked whether anticonvulsant differences in activities will be observed for its R-enantiomer, namely, (R)-2-(4-(3-(piperidin-1-yl)propoxy)benzylamino)propaneamide (2) and analogs thereof, in maximum electroshock (MES)-, pentylenetetrazole (PTZ)-, and strychnine (STR)-induced convulsion models in rats having PHT and valproic acid (VPA) as reference AEDs. Unlike the S-enantiomer (1), the results show that animals pretreated intraperitoneally (ip) with the R-enantiomer 2 (10 mg/kg) were moderately protected in MES and STR induced models, whereas proconvulsant effect was observed for the same ligand in PTZ-induced convulsion models. However, animals pretreated with intraperitoneal doses of 5, 10, or 15 mg/kg of structurally bulkier (R)-enantiomer (3), in which 3-piperidinopropan-1-ol in ligand 2 was replaced by (4-(3-(piperidin-1-yl)propoxy)phenyl)methanol, and its (S)-enantiomer (4) significantly and in a dose-dependent manner reduced convulsions or exhibited full protection in MES and PTZ convulsions model, respectively. Interestingly, the protective effects observed for the (R)-enantiomer (3) in MES model were significantly greater than those of the standard H3R inverse agonist/antagonist pitolisant, comparable with those observed for PHT, and reversed when rats were pretreated with the selective H3R agonist R-(α)-methyl-histamine. Comparisons of the observed antagonistic in vitro affinities among the ligands 1-6 revealed profound stereoselectivity at human H3Rs with varying preferences for this receptor subtype. Moreover, the in vivo anticonvulsant effects observed in this study for ligands 1-6 showed stereoselectivity in different convulsion models in male adult rats.
Glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) is a ligand that activates, through co-receptor GDNF family receptor alpha-1 (GFRα1) and receptor tyrosine kinase “RET”, several signaling pathways crucial in the development and sustainment of multiple neuronal populations. We decided to study whether non-mammalian orthologs of these three proteins have conserved their function: can they activate the human counterparts? Using the baculovirus expression system, we expressed and purified Danio rerio RET, and its binding partners GFRα1 and GDNF, and Drosophila melanogaster RET and two isoforms of co-receptor GDNF receptor-like. Our results report high-level insect cell expression of post-translationally modified and dimerized zebrafish RET and its binding partners. We also found that zebrafish GFRα1 and GDNF are comparably active as mammalian cell-produced ones. We also report the first measurements of the affinity of the complex to RET in solution: at least for zebrafish, the Kd for GFRα1-GDNF binding RET is 5.9 μM. Surprisingly, we also found that zebrafish GDNF as well as zebrafish GFRα1 robustly activated human RET signaling and promoted the survival of cultured mouse dopaminergic neurons with comparable efficiency to mammalian GDNF, unlike E. coli-produced human proteins. These results contradict previous studies suggesting that mammalian GFRα1 and GDNF cannot bind and activate non-mammalian RET and vice versa.
Die Lösung unbekannter Strukturen aus Pulverbeugungsdaten ist keineswegs eine Routineanwendung, und es steht noch einiges an Arbeit an, um die vorhandenen Methoden so weit zu automatisieren, daß sie von Nichtspezialisten, auch solchen mit kristallographischen Kenntnissen, direkt verwendet werden können. In dieser Arbeit konnte überzeugend dargelegt werden, daß die Anwendung des älteren Verfahrens der Fragmentsuche eine sehr gute Möglichkeit bietet, den Schwierigkeiten der Strukturlösung aus Pulverdaten erfolgreich zu begegnen. Durch graduelle Steigerung des Schwierigkeitsgrads bzw. der Komplexität der Strukturlösung von der anfänglichen Verwendung simulierter Pulverbeugungsdaten bekannter Strukturen über die Messung von Pulverbeugungsdiagrammen bekannter Strukturen bis hin zur Lösung unbekannter Strukturen konnte die sinnvolle Anwendbarkeit des Fragmentsuchprogramms PATSEE zweifelsfrei belegt werden. Die in den einzelnen Stadien der Untersuchungen diskutierten Einflüsse, wie die benötigte minimale Fragmentgröße oder die Fragmentqualität, lieferten entscheidende Hinweise für das Aufstellen einer einfachen Strategie zur Strukturlösung aus Pulverdaten mit PATSEE. So konnte gezeigt werden, daß für einen sinnvollen Strukturlösungsversuch in der Regel mehr als 50% des relativen Streubeitrags aller Atome in der asymmetrischen Einheit benötigt werden und daß sich diese Grenze nur durch die Verwendung qualitativ hochwertiger Pulverbeugungsdaten, wie sie an modernen Synchrotronringen erhalten werden können, durchbrechen läßt. Auch die Variation eines Torsionsfreiheitsgrads im Zuge der Rotationssuche kann entscheidende Vorteile verschaffen, wenn zwei für sich genommen zu kleine starre Bereiche miteinander kombiniert werden. Außerdem konnte die prinzipielle Verwendbarkeit sowohl mittels Kraftfeldmethoden berechneter als auch experimentell bestimmter Fragmente, wie sie in der CSD in großer Zahl bereitstehen, bestätigt werden. Die in PATSEE verwendete Vielzahl an Gütekriterien zur Beurteilung einer Lösung konnte auch im Falle von Pulverdaten im wesentlichen überzeugen. Zwar ist die Diskriminierung zwischen richtigen und falschen Lösungen bei weitem nicht so eindeutig in bezug auf alle Gütekriterien, aber zumindest wird eine sehr gute Bewertung hinsichtlich von CFOM - dem Gütekriterium, nach dem die Lösungen sortiert werden - und den beiden R-Werten RE(1) und RE(2) erreicht. Als etwas problematisch hat sich die Rotationssuche erwiesen, die nur auf der Beurteilung eines einzigen Gütekriteriums beruht. Da aber gerade der Rotationssuche als erstem Schritt der Fragmentsuche eine wichtige Bedeutung zukommt, ist der Anwender zu großer Sorgfalt bei deren Durchführung verpflichtet. Eine Grenze für Strukturlösungsversuche mit PATSEE stellen derzeit Strukturen mit mehreren Molekülen in der asymmetrischen Einheit dar. Da im einfachsten Fall (Z'= 2) bereits ein komplettes Molekül als Suchfragment einen relativen Streubeitrag von unter 50% aufweist, wird eine erfolgreiche Orientierung und Positionierung mit PATSEE nur noch für hervorragende Datensätze möglich sein. Für noch schwierigere Fälle (Z'> 2) oder für Verbindungen, bei denen nicht das gesamte Molekülgerüst als Suchfragment verwendet werden kann, bestehen dann praktisch keine Aussichten mehr auf eine erfolgreiche Strukturlösung mit PATSEE. Basierend auf diesen Ergebnissen, konnten PATSEE-Parameter empfohlen werden, die sowohl für große Fragmente als auch für den Grenzbereich der minimal benötigten Fragmentgröße gute Erfolgsaussichten für die Strukturlösung gewährleisteten. Dabei wichen die empfohlenen Parameter nur in geringem Maße von den für Einkristalldaten optimierten Werten ab. Anhand zweier unbekannter Strukturen konnte die empfohlene Strategie verifiziert werden. Zusätzlich wurde für eine der beiden Strukturen eine Einkristallstrukturbestimmung vorgenommen, welche die aus Pulverdaten gelöste Struktur bestätigte. Auch wenn einerseits die prinzipielle Anwendbarkeit der Fragmentsuche mit PATSEE auf Pulverbeugungsdaten bewiesen werden konnte und andererseits eine allgemeine Strategie zur Vorgehensweise geliefert wurde, sind doch noch nicht alle interessanten Fragestellungen geklärt. Hier sind zum einen die unbefriedigenden Möglichkeiten bei Strukturen mit mehreren Molekülen in der asymmetrischen Einheit zu nennen. Eine sinnvolle Erweiterung der Zahl simultan suchbarer Fragmente in PATSEE könnte diesen Schwachpunkt beheben. Zugleich könnte mit dieser Erweiterung die Anwendbarkeit auf flexiblere Molekülgeometrien ausgedehnt werden, so daß im Endeffekt eine Steigerung der einsetzbaren Fragmentgröße erreicht wird. Diese Erweiterung sollte bei der enormen Rechenleistung moderner Computersysteme kein unüberwindliches Hindernis darstellen, so daß die benötigte Zeit für einen PATSEE-Lauf mit mehreren zu suchenden Fragmenten auf maximal einige wenige Stunden ansteigen würde. Alternativ wäre zu überlegen, ob nicht das Aufheben der strikten Trennung von Rotationssuche und Translationssuche, also eine 6-dimensionale Fragmentsuche, die bisweilen zu beobachtenden Probleme der Rotationssuche beheben würde. Auch bei dieser Änderung der Vorgehensweise in PATSEE könnten moderne Computer sinnvoll eingesetzt werden. Vorteilhaft für die Strukturlösung wäre hier die Kombination der sehr erfolgreichen Diskriminierung der Gütekriterien bei der Translationssuche mit der bisher kritischen Bestimmung der Orientierung. Eine zweite Fragestellung, die im Rahmen dieser Arbeit nicht geklärt werden konnte, betrifft die Anwendbarkeit auf makromolekulare Verbindungen, die über eine große interne Regelmäßigkeit verfügen, wie beispielsweise kleinere Peptide mit alpha-helikaler Struktur oder einer beta-Faltblattstruktur. Verschiedene Testreihen an derartigen Verbindungen belegen die prinzipielle Machbarkeit, und außerdem konnte bereits in mindestens einem ähnlich gelagerten Fall [17] gezeigt werden, daß derartige Strukturlösungsversuche bei sehr großen Verbindungen durchführbar sind. Insbesondere wegen der erheblichen Schwierigkeiten bei der Kristallisation derartiger Verbindungen und dem großen wissenschaftlichen Interesse an ihrer Struktur könnten erfolgversprechende Ansätze zur Strukturlösung aus Pulverdaten einen wichtigen Beitrag in der Pharmazie, der Pharmakologie, der Biologie und nicht zuletzt in der Medizin leisten.
Die Suche nach neuen Zielmolekülen und Wirkstoffen für die Schmerztherapie ist eine unerlässliche Aufgabe, um Nebenwirkungen heutiger auf dem Markt befindlicher Schmerzmedikamente entgegenzuwirken. Ein vielversprechendes Ziel - als Alternative zu cyclooxigenasehemmenden Medikamenten (tNSDAIDs und Coxibe) - ist die mikrosomale Prostaglandin E-Synthase 1 (mPGES-1). In dieser Arbeit wurden zwei Substanzklassen rund um die Benzensulfonamid-Leitstruktur FR4 und die Quinazolinon-Leitstruktur FR20 aufgebaut. Die Benzensulfonamidklasse enthält 32 Derivate, die Klasse der Quinazolinone 24 Derivate. Beide Strukturklassen konnten durch chemische Modulation an verschiedenen Resten erweitert werden. Durch strukturelle Variationen konnte die Aktivität der FR4-Klasse von initial 14 µM auf 0,8 µM (FR4-Dev28) optimiert werden. In der FR20-Klasse konnten zahlreiche equipotente Derivate gefunden werden. Beide Klassen zeigten eine niedrige Toxizität (ab etwa 100 µM) und konnten auch auf zellulärer Ebene den PGE2-Level konzentrationsabhängig reduzieren. In humanen Vollblutversuchen wurde die Kreuzreaktivität dieser Substanzen auf andere Eicosanoide untersucht. Beide Klassen konnten auch hier den PGE2-Level reduzieren. Ein Prostanoidshunting in Folge der mPGES 1-Hemmung konnte dabei nicht festgestellt werden. Darüber hinaus wurde eine dualinhibitorische Funktion der Benzensulfonamide beobachtet. Neben der mPGES-1 wurde auch das 5LOX-vermittelte LTB2-Level reduziert. Dieser Effekt trat bei den Quinazolinonen nicht auf. Neben der humanen mPGES-1 wurde auch der Einfluss auf das murine Enzym untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die Hemmung von der Wahl der Klasse abhängt: Benzensulfonamide hemmen die murine mPGES-1, Quinazolinone nicht. Damit konnte erstmals eine Strukturklasse mit dualinhibitorischer (mPGES-1/5LOX) und speziesübergreifender Hemmung (human/murin) beschrieben werden. Untersuchungen an erstellten Homologie-Modellen der humanen und murinen mPGES-1 zeigten Unterschiede der Bindetaschen der beiden Spezies. PLIF-Analysen der beiden Strukturklassen deckten verschiedene Bindungsmuster auf. In vivo-Pharmakologische Untersuchungen von FR4-Dev6 zeigten eine sehr schnelle Resorption ins Blut (tMax = 10 min) sowohl nach intraperitonealer als auch nach oraler Applikation, gefolgt von einer raschen Verteilung in zahlreiche Organe. Hohe Konzentrationen wurden im Gastrointestinaltrakt und der Niere gemessen, beides Organe, in denen PGE2 eine physiologische Funktion ausübt. Die Konzentration fiel bereits nach 30 min in allen Organen wieder stark ab, ein basaler Level war aber noch nach sechs Stunden mit der eigens entwickelten LC-MS/MS-Methode detektierbar. Eine antiinflammatorische Wirkung in einem Zymosan-induzierten Entzündungsmodell konnte nicht bestätigt werden, da die gewählte Formulierung bereits den PGE2-Level stark reduzierte. Eine starke Akkumulation von FR4-Dev6 konnte aber im Pfotenödem gemessen werden. Die umfassende Charakterisierung der vorgestellten Substanzklassen hat neben grundlegenden Struktur-Aktivitätsbeziehungen neue Einsichten in die Wirkungsweise von mPGES-1-Inhibitoren geliefert. Diese Ergebnisse können in Zukunft für weitere Entwicklungen von neuartigen, verträglicheren Analgetika, Antiphlogistika und Antipyretika mit dem Zielmolekül mPGES-1 genutzt werden.
Mannheimia haemolytica und Pasteurella multocida gehören zu den Verursachern der unter Rindern weltweit verbreiteten Enzootischen Bronchopneumonie. Derzeitige Impfstoffe und Antibiotika gegen diese Bakterien können die Verbreitung der Krankheit nicht maßgeblich einschränken, weshalb Bedarf an neuen Medikamenten besteht. Bei der Besiedelung der Lunge treffen M. haemolytica und P. multocida auf Eisenmangel. Die Aufnahme von Eisen ist ein wesentlicher Faktor bei der Kolonisierung und Persistenz pathogener Bakterien im Wirt, da Eisen essentiell ist. Medikamente, die an Proteinen der Eisenversorgung angreifen, können deshalb zur Eindämmung der Bronchopneumonie beitragen. Um einen Überblick über die Gene von M. haemolytica und P. multocida zu erhalten, die bei der Adaptation an Eisenmangel beteiligt sind, wurden die Bakterien in der vorliegenden Arbeit in vitro unter Eisenmangel kultiviert, denn die meisten bakteriellen Gene, die an der Eisenaufnahme beteiligt sind, werden erst bei Eisenmangel transkribiert. Mittels Mikroarray-Analyse der Transkriptome wurden erstmals die in vitro eisenregulierten Gene von M. haemolytica und erstmals auch die eisenregulierten Gene eines Rinder-Isolats von P. multocida identifiziert. Der in dieser Arbeit verwendete Mikroarray war ein Multigenom-Mikroarray und stellt die offenen Leserahmen beider Bakterien dar. Mit der Mikroarray-Analyse wurden 129 Gene von M. haemolytica identifiziert, die bei Wachstum unter Eisenmangel eine veränderte Transkription aufwiesen. Die größte Gruppe der Gene mit verstärkter Transkription bildeten die Gene, die für Rezeptoren und Transporter kodieren. Von diesen kodieren etwa drei Viertel für Proteine, die an der Aufnahme von Eisen aus verschiedenen Quellen beteiligt sind. Die größte Gruppe der Gene mit verminderter Transkription wurde von Genen gebildet, die für Proteine des Energie-Stoffwechsels kodieren. Damit wurde auch für M. haemolytica das Prinzip bestätigt, dass Bakterien bei Eisenmangel verstärkt Gene transkribieren, deren Proteine an der Eisenaufnahme beteiligt sind, während Gene für eisenhaltige Proteine des Energie-Stoffwechsels vermindert transkribiert werden. Bei der Analyse des Transkriptoms von P. multocida wurden 173 Gene mit veränderter Transkription identifiziert. Auch bei P. multocida konnte mit der funktionellen Klassifizierung der kodierten Proteine die größte Gruppe an Genen mit verstärkter Transkription den Transport- und Bindungsproteinen zugeordnet werden. Die größte Gruppe an Genen mit verminderter Transkription wurde auch bei P. multocida von Genen gebildet, die für Proteine des Energie-Stoffwechsels kodieren. Beim Vergleich des Transkriptoms von M. haemolytica mit dem von P. multocida wurden mehr Unterschiede als Gemeinsamkeiten festgestellt. Nur 40 der 1424 homologen Gene zeigten die gleiche Richtung in der Änderung in der Transkription. Unter den 15 homologen Genen mit verstärkter Transkription waren die Gene, die für einen Hämoglobin-Rezeptor, die ABC-Transportsysteme FbpABC und YfeABCD sowie das Energie liefernde System TonB-ExbBD kodieren. In den 25 homologen Genen mit verminderter Transkription waren 15 Gene enthalten, deren kodierte Proteine am Energie-Stoffwechsel beteiligt sind. Dies waren die Proteine NapABCDFGH des Nitrat-Reduktase-Komplexes, die Proteine NrfABCD des Nitrit-Reduktase-Komplexes und die Proteine FrdABCD des Komplexes der Fumarat-Reduktase. Ein auffälliger Unterscheid war, dass bei M. haemolytica die gesamten Gene verstärkt transkribiert wurden, deren Proteine an der Aufnahme von Eisen aus Transferrin beteiligt sind. Bei P. multocida dagegen konnte das Gen für den Transferrin-Rezeptor nicht nachgewiesen werden. Somit gehört das in dieser Arbeit verwendete Isolat von P. multocida vermutlich zu den 30% der Rinder-Isolate von P. multocida, die keinen Transferrin-Rezeptor besitzen, aber die Rinderlunge besiedeln können (Ewers et al., 2006). Im Vergleich zu M. haemolytica fielen bei P. multocida die vielen verstärkt transkribierten Gene auf, die an der Aufnahme von Eisen aus dem Blut beteiligt sind. Die Transkription dieser verschiedenen Transporter deutet auf eine gute Adaptation von P. multocida für die Verwendung von Eisen aus dem Blut des Wirts hin, die bei M. haemolytica in diesem Maß nicht gegeben scheint. Für M. haemolytica wurde die in vivo-Relevanz einiger eisenregulierter Gene überprüft, die in der Mikroarray-Analyse eine erhöhte Transkription zeigten. Dazu wurde die RNA untersucht, die aus dem Lungengewebe von infizierten Rindern isoliert worden war. In diesem Gewebe wurde die Transkription von 11 Genen mittels RT-PCR nachgewiesen. Für die Gene, die für die Hämoglobin-Rezeptoren von M. haemolytica kodieren, wurde mittels quantitativer real time PCR auch eine Verstärkung der Transkription im Lungengewebe nachgewiesen. Die Verstärkung der Transkription in vivo war der transkriptionellen Verstärkung in vitro vergleichbar, was auf eine Funktion der Hämoglobin-Rezeptoren bei der Infektion in vivo hindeutet. Zur Untersuchung der Regulation des Eisenhaushalts von M. haemolytica wurde versucht, das Gen fur zu deletieren, das für den Hauptregulator des Eisenhaushalts kodiert, was jedoch nicht gelungen ist. In einem antisense-Ansatz konnte jedoch gezeigt werden, dass der Stamm mit dem fur-antisense-Plasmid ein signifikant verzögertes Wachstum hatte, was auf die essentielle Funktion des Gens fur in M. haemolytica hinweist. Ein antisense-Ansatz ist noch kein Beweis für die essentielle Funktion eines Gens. Doch die mit Gioia et al. (2007) übereinstimmenden Schwierigkeiten bei der Herstellung einer ∆-fur-Mutante von M. haemolytica sowie das verringerte Wachstum in Gegenwart der fur-antisense-mRNA deuten stark auf eine essentielle Funktion dieses Gens hin.
The title compound, [Re2(OH)(C10H8N2)2(CO)6][ReO4], is a mixed-valence rhenium compound containing discrete anions and cations. The ReI atoms are in a slightly distorted octahedral environment, whereas the ReVII atoms show the typical tetrahedral coordination mode. The dihedral angle between the two bipyridine groups is 34.3 (7)°. Key indicators: single-crystal X-ray study; T = 173 K; mean σ(C–C) = 0.044 Å; R factor = 0.093; wR factor = 0.262; data-to-parameter ratio = 13.9.
Protein aggregation of the p63 transcription factor underlies severe skin fragility in AEC syndrome
(2018)
The p63 gene encodes a master regulator of epidermal commitment, development, and differentiation. Heterozygous mutations in the C-terminal domain of the p63 gene can cause ankyloblepharon-ectodermal defects-cleft lip/palate (AEC) syndrome, a life-threatening disorder characterized by skin fragility and severe, long-lasting skin erosions. Despite deep knowledge of p63 functions, little is known about mechanisms underlying disease pathology and possible treatments. Here, we show that multiple AEC-associated p63 mutations, but not those causative of other diseases, lead to thermodynamic protein destabilization, misfolding, and aggregation, similar to the known p53 gain-of-function mutants found in cancer. AEC mutant proteins exhibit impaired DNA binding and transcriptional activity, leading to dominant negative effects due to coaggregation with wild-type p63 and p73. Importantly, p63 aggregation occurs also in a conditional knock-in mouse model for the disorder, in which the misfolded p63 mutant protein leads to severe epidermal defects. Variants of p63 that abolish aggregation of the mutant proteins are able to rescue p63’s transcriptional function in reporter assays as well as in a human fibroblast-to-keratinocyte conversion assay. Our studies reveal that AEC syndrome is a protein aggregation disorder and opens avenues for therapeutic intervention.
Poster presentation at 5th German Conference on Cheminformatics: 23. CIC-Workshop Goslar, Germany. 8-10 November 2009 We demonstrate the theoretical and practical application of modern kernel-based machine learning methods to ligand-based virtual screening by successful prospective screening for novel agonists of the peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARgamma) [1]. PPARgamma is a nuclear receptor involved in lipid and glucose metabolism, and related to type-2 diabetes and dyslipidemia. Applied methods included a graph kernel designed for molecular similarity analysis [2], kernel principle component analysis [3], multiple kernel learning [4], and, Gaussian process regression [5]. In the machine learning approach to ligand-based virtual screening, one uses the similarity principle [6] to identify potentially active compounds based on their similarity to known reference ligands. Kernel-based machine learning [7] uses the "kernel trick", a systematic approach to the derivation of non-linear versions of linear algorithms like separating hyperplanes and regression. Prerequisites for kernel learning are similarity measures with the mathematical property of positive semidefiniteness (kernels). The iterative similarity optimal assignment graph kernel (ISOAK) [2] is defined directly on the annotated structure graph, and was designed specifically for the comparison of small molecules. In our virtual screening study, its use improved results, e.g., in principle component analysis-based visualization and Gaussian process regression. Following a thorough retrospective validation using a data set of 176 published PPARgamma agonists [8], we screened a vendor library for novel agonists. Subsequent testing of 15 compounds in a cell-based transactivation assay [9] yielded four active compounds. The most interesting hit, a natural product derivative with cyclobutane scaffold, is a full selective PPARgamma agonist (EC50 = 10 ± 0.2 microM, inactive on PPARalpha and PPARbeta/delta at 10 microM). We demonstrate how the interplay of several modern kernel-based machine learning approaches can successfully improve ligand-based virtual screening results.
Poster presentation In pharmaceutical research and drug development, machine learning methods play an important role in virtual screening and ADME/Tox prediction. For the application of such methods, a formal measure of similarity between molecules is essential. Such a measure, in turn, depends on the underlying molecular representation. Input samples have traditionally been modeled as vectors. Consequently, molecules are represented to machine learning algorithms in a vectorized form using molecular descriptors. While this approach is straightforward, it has its shortcomings. Amongst others, the interpretation of the learned model can be difficult, e.g. when using fingerprints or hashing. Structured representations of the input constitute an alternative to vector based representations, a trend in machine learning over the last years. For molecules, there is a rich choice of such representations. Popular examples include the molecular graph, molecular shape and the electrostatic field. We have developed a molecular similarity measure defined directly on the (annotated) molecular graph, a long-standing established topological model for molecules. It is based on the concepts of optimal atom assignments and iterative graph similarity. In the latter, two atoms are considered similar if their neighbors are similar. This recursive definition leads to a non-linear system of equations. We show how to iteratively solve these equations and give bounds on the computational complexity of the procedure. Advantages of our similarity measure include interpretability (atoms of two molecules are assigned to each other, each pair with a score expressing local similarity; this can be visualized to show similar regions of two molecules and the degree of their similarity) and the possibility to introduce knowledge about the target where available. We retrospectively tested our similarity measure using support vector machines for virtual screening on several pharmaceutical and toxicological datasets, with encouraging results. Prospective studies are under way.
Obwohl die Kristallstrukturen der CytochromcOxidase aus RinderherzMitochondrien und dem Bodenbakterium P. denitrificans bekannt sind und die Funktionsweise des Enzyms mit Hilfe zahlreicher Methoden bereits intensiv untersucht wurde, wird nach wie vor kontrovers diskutiert, an welcher Stelle im katalytischen Zyklus wieviele Protonen aufgenommen bzw. gepumpt werden und über welchen der beiden Protoneneintrittspfade dies geschieht. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, diesen Fragestellungen mit Hilfe von elektrischen Messungen nachzugehen, um dann ein genaueres Bild von der mechanistischen Funktionsweise des Enzyms zu erhalten. Hierzu wurden Teilschritte des katalytischen Zyklus der CytochromcOxidase aus P. denitrificans genauer untersucht. Dies gelang durch Spannungsmessungen an der schwarzen Lipidmembran mit Ru II (2,2'bipyridyl) 3 Cl 2 (Rubpy) als lichtinduzierbarem Einelektronendonor. Es konnte gezeigt werden, daß ausgehend vom vollständig oxidierten Zustand O nach Lichtanregung ein Elektron von Rubpy auf die Oxidase übertragen und anschließend vom CuA zum Häm a mit einer Zeitkonstanten von » 20 µs transportiert wird. Zeitaufgelöste spektroskopi sche Messungen deuten darauf hin, daß das Elektron auf dem Häm a verbleibt. Die Reduktion dieses Kofaktors führt zu einer Protonenaufnahme über den KWeg mit einer Zeitkonstanten von » 175 µs. Nimmt man an, daß sich Häm a in der Mitte des Dielektrikums befindet (Hinkle und Mitchell, 1970), so deuten die relativen Amplituden der beiden Phasen an, daß etwa 0.8 Protonen aufgenommen werden, in sehr guter Übereinstimmung mit (Capitanio et al., 2000). Aus MehrfachblitzExperimenten unter anaeroben Bedingungen, ausgehend vom OZustand, konnten erste Erkenntnisse über den E ® R Übergang gewonnen werden, nämlich daß hierbei ein Prozeß mit einer Zeitkonstanten von ca. 1.1 ms auftritt und daß sowohl K als auch DWeg an diesem Teilschritt des katalytischen Zyklus beteiligt sind. Da mit der MehrfachblitzMethode aber immer ein Gemisch aus verschiedenen Zuständen entsteht, war es nicht möglich, quantitative Aussagen über die Zahl der transportierten Ladungen zu treffen. Aus diesem Grund wurde eine Möglichkeit gesucht, den EZustand in hoher Ausbeute mit ausreichender Stabilität herzustellen, um dann ein Elektron zu übertragen. Dies gelang durch Darstellung des OxoferrylZustandes F mit Hilfe von H 2 O 2 und anschließende Zweielektronenreduktion durch CO. Die Übertragung von einem Elektron auf den so gebildeten EZustand lieferte 3 Phasen im Spannungssignal mit Zeitkonstanten von » 25 µs, » 200 µs und » 1.5 ms. Die relativen Amplituden dieser Phasen und die Ergebnisse von K und DWegMutanten legen nahe, daß nach Aufnahme des 2. Elektrons vermutlich ein Proton über den KWeg aufgenommen und anschließend 1 Proton über den DWeg gepumpt wird. Es konnte somit zum ersten Mal gezeigt werden, daß bereits während des reduktiven Teils (O ® R) des katalytischen Zyklus ein Proton von der intrazellulären zur extrazellulären Seite transportiert wird und zwar ohne daß unmittelbar vorher die Sauerstoffreduktion stattgefunden haben muß. Erste Experimente zum P ® F Übergang lassen sich so deuten, daß mit Aufnahme des 3. Elektrons ein Proton zum binuklearen Zentrum transportiert und mindestens 1, wenn nicht gar 2 Protonen durch das Enzym gepumpt werden. Hier sind noch weitere Experimente nötig, um die genaue Zahl der transportierten Ladungen und die für die einzelnen Protonenbewegungen verwendeten Protoneneintrittspfade zu bestimmen. Messungen zum F ® O Übergang schließlich zeigten, daß nach dem CuA ® Häm a Elektro nentransfer mit einer Zeitkonstanten von ca. 25 µs vermutlich 1 Proton über den DWeg bis zu den Hämen transportiert (t » 270 µs) und anschließend ein Proton ebenfalls über den DWeg gepumpt wird (t » 1.5 ms). Aus den gewonnenen Daten wurde ein neuer Mechanismus für die Sauerstoffreduktion in der ParacoccusCOX entwickelt. Dieser beruht auf dem von Mitchell und Rich postulierten Elektroneutralitätsprinzip (Mitchell und Rich, 1994) und ist stark an das von Michel vorgeschlagene Modell (Michel, 1998; Michel, 1999) angelehnt. Zur Klärung der Fragen, ob sich bakterielles und RinderzEnzym eventuell in ihrem Mechanismus unterscheiden oder ob nicht eventuell ein Proton während des O ® E Übergangs gepumpt wird (allerdings nur, wenn unmittelbar vorher die Sauerstoffreduktion durchlaufen wurde), sind u.a. noch intensivere Untersuchungen des P ® F Teilschrittes notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wurden weiterhin 2 verschiedene Kobaltkomplexe auf ihre Eignung als lichtinduzierbare Sauerstoffdonatoren (cagedSauerstoff) für die COX untersucht. Hierbei stellte sich heraus, daß beide Verbindungen ungeeignet sind, da sie entweder instabil sind ((µsuperoxo)bis[pentaammincobalt(III)]) oder Nebenreaktionen mit dem Protein eingehen ((µperoxo)(µhydroxo)bis[bis(bipyridyl)cobalt(III)]). Abschließend wurde der Einfluß von Zn 2 Ionen auf elektrogene Schritte im katalytischen Zyklus genauer erforscht. Es wurde deutlich, daß Zn 2 bakterielle COX von beiden Seiten inhibieren kann, wobei die Bindestelle(n) auf der intrazellulären Seite im Gegensatz zur extrazellulären Seite hochaffin ist/sind. Die elektrischen Messungen deuten darauf hin, daß hierbei sowohl D als auch KWeg blockiert werden, wobei die exakte Position der Metallbindestelle(n) noch zu klären ist.
Channelrhodopsine sind blaulichtsensitive, Retinal-bindende Proteine aus der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. Channelrhodopsin 2 (ChR2) wurde als heptahelikaler, kationenselektiver Ionenkanal charakterisiert (Nagel et al., 2003). Wie die zur selben Proteinfamilie gehörende Protonenpumpe Bakteriorhodopsin (bR) wird ChR2 durch Licht aktiviert; allerdings wird hierbei ein passiver Strom ausgelöst, bei dem Kationen entsprechend ihres elektrochemischen Gradienten fließen. Aufgrund dieser Eigenschaft eignet sich ChR2 zur lichtinduzierten Depolarisation von Zellen und zur Auslösung von Aktionspotentialen in Neuronen, über deren Membran ein Konzentrationsgradient von Kationen anliegt (Boyden et al., 2005). Die Stimulation elektrischer Aktivität von ChR2-exprimierenden Neuronen im Hirngewebe von Mäusen, die ChR2 transgen exprimieren, kann beispielsweise genutzt werden, um die Konnektivität von Neuronen und Hirnbereichen zu untersuchen (z.B. Wang et al., 2007). Für diese und weitere Anwendungen war es interessant, ChR2 zelltyp- oder regionenspezifisch in Mäusen zu exprimieren. Zu diesem Zweck sollte ChR2/eGFP bicistronisch oder ChR2-YFP als Fusionsprotein unter einem ubiquitären Promotor exprimiert werden; die Expression sollte aber durch ein Stop-Element unterbunden werden, das von loxP-sites flankiert ist (unaktiviertes Transgen). Das Enzym Cre- Rekombinase entfernt durch Rekombination das Stop-Element an diesen Erkennungssequenzen, wodurch die ChR2-Expression ermöglicht werden sollte (aktiviertes Transgen). Die Cre-Rekombinase kann dabei sowohl viral als auch transgen unter zelltyp- und regionenspezifischen Promotoren exprimiert werden und damit die regionale Spezifität und den Zeitpunkt der ChR2-Expression bestimmen. Es wurden drei Mauslinien über Pronukleus-Injektionen erhalten, die den Reporter β-Galactosidase des unaktivierten Transgens exprimierten. Die Verpaarung von Mäusen dieser Linien mit Cre-Rekombinase-exprimierenden Mauslinien führte aber nur zu einer ineffizienten Aktivierung des Transgens, so dass ChR2-Expression einzig mittels RT-PCR nachgewiesen werden konnte. Nach viraler Expression der Cre-Rekombinase im Hippokampus konnte eine Aktivierung des ChR2-Transgens auch mittels Immunfluoreszenz gezeigt werden. Mangels GFP-Fluoreszenz waren die transgenen Linien aber nicht für gezielte elektrophysiologische Ableitungen verwendbar. In einem zweiten Ansatz wurden transgene Mäuse über embryonale Stammzellen (ES-Zellen) generiert. Bei diesem Ansatz wird eine geringere Kopienzahl des Transgens ins Genom integriert. In den ES-Zellen konnte durch transiente Cre-Rekombinase-Expression gezeigt werden, dass das Transgen effizient aktiviert werden konnte. Aus mehreren ES-Zell-Klonen wurden chimäre Mäuse erhalten, die zum jetzigen Zeitpunkt auf Keimbahntransmission getestet werden. Wie ChR2 einen Kationenkanal bildet und welche Transmembrandomänen und Aminosäuren daran beteiligt sind, ist unbekannt. Daher wurde im zweiten Teil dieser Arbeit untersucht, ob die Positionen E90, E97 und E101, welche in der zweiten Transmembranhelix untereinander zu liegen scheinen, Teil einer Ionenpore sein könnten. Um den Einfluss dieser Aminosäuren auf die Kationenleitung und/ oder – selektivität zu untersuchen, wurden diese Positionen substituiert und die resultierenden ChR2-Mutantenproteine in Xenopus laevis Oozyten exprimiert und elektrophysiologisch analysiert. Um Na+- bzw. Protonen-mediierte Ströme unterscheiden zu können, wurden Na+-haltige und Na+-freie Puffer verschiedener pH-Werte verwendet. Lichtinduzierte Ströme von ChR2E97A, ChR2E97Q, ChR2E97K und ChR2E101K waren im Vergleich zum Wildtyp stark reduziert, ausschließlich bei pH 4 zu detektieren und wohl hauptsächlich durch Protonen getragen. Die isofunktionale, aber ladungsneutrale Mutation ChR2E90Q zeigte nur geringe Unterschiede zum Wildtyp. Alaninsubstitution (E90A) als auch Ladungsinversion (E90K) führte zu starken Veränderungen des ChR2-Stroms im Vergleich zum Wildtyp. ChR2E90A zeigte im Vergleich zum Wildtyp reduzierte Protonenströme sowie einen erhöhten Natriumstrom, der durch Protonen inhibierbar war. Die Ladungsinversion ChR2E90K führte zu allgemein stark verminderten Leitfähigkeiten, lediglich bei pH 4 konnten noch Ströme gemessen werden. Die Ergebnisse sind der erste Hinweis auf eine Beteiligung von Glutamatresten an der Ionenleitfähigkeit in der Transmembranhelix 2 von ChR2.
The group of neurodegenerative diseases, Parkinson's disease (PD), dementia with Lewy bodies (DLB), and multiple system atrophy (MSA) all exhibit inclusions containing amyloid-type α-synuclein (α-syn) aggregates within degenerating brain cells. α-syn also exists as soluble oligomeric species that are hypothesized to represent intermediates between its native and aggregated states. These oligomers are present in brain extracts from patients suffering from synucleinopathies and hold great potential as biomarkers. Although easily prepared in vitro, oligomers are metastable and dissociate over time, thereby complicating α-syn oligomer research. Using the small amine-reactive cross-linker, formaldehyde (FA), we successfully stabilized α-syn oligomers without affecting their size, overall structure or antigenicity towards aggregate-conformation specific α-syn antibodies FILA and MJFR-14-6-4-2. Further, cross-linked α-syn oligomers show resistance towards denaturant like urea and SDS treatment and remain fully functional as internal standard in an aggregation-specific enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) despite prior incubation with urea. We propose that FA cross-linked α-syn oligomers could serve as important calibrators to facilitate comparative and standardized α-syn biomarker studies going forward.
Die Suche nach neuen Katalysatoren ist einer der wichtigsten Forschungszweige der Chemie. Die effizientesten Katalysatoren – die Enzyme – wurden allerdings nicht von Wissenschaftlern entwickelt, sondern sind aus Millionen Jahren Evolution hervorgegangen. Durch moderne Strukturaufklärungsmethoden lassen sich viele Enzyme in die Karten schauen und dienen Chemikern als Blaupause für neue synthetische Katalysatoren. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie wesentlich besser zugänglich und robuster sind als ihr natürliches Vorbild. Mit diesem biomimetischen Ansatz gelang es uns erstmals, die Glutamat-Dehydrogenase nachzuahmen. Dadurch vereinfacht sich die industrielle Synthese von Aminen, die wichtige Bausteine für Naturstoffe und Pharmazeutika sind. Auch auf die Herstellung von Antibiotika lässt sich dieses Prinzip übertragen.
The enantioselective synthesis of 2-aryl-substituted 2,3-dihydroquinolin-4-ones, a class of heterocyclic compounds with interesting biological activities, has been achieved through a Brønsted acidcatalyzed enantioselective intramolecular Michael addition. The products are available in moderate to high yields and with good enantioselectivities.
In the search for novel organic charge transfer salts with variable degrees of charge transfer we have studied the effects of two modifications of the recently synthesized donor–acceptor system [tetramethoxypyrene (TMP)]–[tetracyanoquinodimethane (TCNQ)]. One is of chemical nature by substituting the acceptor TCNQ molecules by F4TCNQ molecules. The second consists in simulating the application of uniaxial pressure along the stacking axis of the system. In order to test the chemical substitution, we have grown single crystals of the TMP–F4TCNQ complex and analyzed its electronic structure via electronic transport measurements, ab initio density functional theory (DFT) calculations and UV/VIS/IR absorption spectroscopy. This system shows an almost ideal geometrical overlap of nearly planar molecules stacked alternately (mixed stack) and this arrangement is echoed by a semiconductor-like transport behavior with an increased conductivity along the stacking direction. This is in contrast to TMP–TCNQ which shows a less pronounced anisotropy and a smaller conductivity response. Our band structure calculations confirm the one-dimensional behavior of TMP–F4TCNQ with pronounced dispersion only along the stacking axis. Infrared measurements illustrating the C[triple bond, length as m-dash]N vibration frequency shift in F4TCNQ suggest however no improvement in the degree of charge transfer in TMP–F4TCNQ with respect to TMP–TCNQ. In both complexes about 0.1e is transferred from TMP to the acceptor. Concerning the pressure effect, our DFT calculations on the designed TMP–TCNQ and TMP–F4TCNQ structures under different pressure conditions show that application of uniaxial pressure along the stacking axis of TMP–TCNQ may be the route to follow in order to obtain a much more pronounced charge transfer.
Die Hämatopoese stellt den blutbildenden Prozeß dar, der den Menschen ein Leben lang mit Blutzellen versorgt und deren Ausgangspunkt eine kleine Zahl hämatopoetischer Stammzellen ist. Diese Stammzellen besitzen einerseits die Fähigkeit zur Selbsterneuerung und sind andererseits in der Lage, durch Proliferation und terminale Differenzierung Zellen verschiedener Linien hervorzubringen. Das biologische Hauptmerkmal der Stammzelle ist die Fähigkeit die Hämatopoese zu rekonstituieren, was klinisch bei der Stammzelltransplantation genutzt wird. Überwiegend werden dabei Knochenmark und peripheres Blut als Quelle für Stammzellen genutzt, die abhängig von der Zahl der transplantierten Zellen zur völligen Rekonstitution der Blutbildung führen. Für Patienten ohne passende Spender wurde das Nabelschnurblut als Alternative in Betracht gezogen. Trotz verschiedener Vorteile der Stammzellen aus Nabelschnurblut besteht der Hauptnachteil in der sehr limitierten Zahl der Zellen mit dem erhöhten Risiko eines Transplantatversagens. Aus diesem Grund wird die ex vivo Vermehrung dieser Stammzellen derzeit zunehmend untersucht. Erforderlich sind Bedingungen zur ausreichenden Vermehrung der Zellen unter Erhalt der Stammzelleigen schaften, die die klinische Anwendung möglich machen. Diese Bedingungen waren bisher nicht erfüllt. Hauptziel dieser Arbeit war es demnach Kulturbedingungen für die Expansion von Stammzellen aus Nabelschnurblut zu etablieren, die den klinischen Anforderungen einer Transplantation genügen. Dafür wurden sowohl die determinierten Vorläuferzellen untersucht, als auch die Fähigkeit der Stammzelle in vitro Langzeithämatopoese aufrecht zu erhalten und zur Repopulierung der NOD/SCIDMaus. Die Repopulierung ist ein spezifischer Prozeß (Homing), bei dem die Migration der Zellen aus der Blutbahn durch die Endothelzellschicht der Gefäße in die spezialisierten Nischen des Knochenmarks erfolgt. Da für die Amplifikation äußere Stimuli erforderlich sind, welche die biologischen Eigenschaften der Zellen modulieren, wurden die Eigenschaften der expandierten Zellen in verschiedenen in vitro Assays wie CFU und LTCIC untersucht, die derzeit als die besten Verfahren gelten, die hämatopoetische Stammzelle zu detektieren. Zur Untersuchung der Repopulierungsfähigkeit wurde das NOD/SCIDMausmodell etabliert, in dem der Aufbau einer humanen Hämatopoese im murinen Knochenmark gemessen wird, sowie ein neues in vitro Modell entwickelt, das Stromazellsphäroid, mit dessen Hilfe die Migrationsfähigkeit untersucht wurde. Mit der Kombination der auf primitive Stammzellen wirkenden Zytokine SCF, FL, TPO und IL3 gelang eine gute und ausreichende Vermehrung der ontogenetisch unreifen und der determinierten Progenitorzellen nach Kultivierung der Zellen über 7 Tage. Das beim Einsatz in der ex vivo Expansion umstrittene Zytokin IL3 führte hierbei nicht zum befürchteten Verlust der Repopulierungsfähigkeit der expandierten Zellen. Es sorgte vielmehr durch eine starke Vermehrung der Zellen für ein Engraftment der NOD/SCIDMaus, das dem durch frische unmanipulierte Nabelschnurblutzellen vergleichbar war. Von den getesteten Kultursystemen erwies sich die statische Kultivierung im Teflonbeutel als geeignet zur Vermehrung der primitiven Progenitoren, ohne die Repopulierungsfähigkeit der expandierten Zellen zu vermindern. Durch die Wahl eines serumfreien, klinisch anwendbaren Mediums gelang somit die Etablierung eines Kultursystems zur optimierten ex vivo Expansion früher Progenitor und Stammzellen aus Nabelschnurblut ohne Verlust der Repopulierungsfähigkeit für die klinische Anwendung. Das Homing in das Knochenmark ist ein selektiver aus mehreren Einzelschritten bestehender Prozeß unter Interaktion der Zellen mit Endothelzellen und dem Knochenmarkstroma, der durch eine Vielzahl verschiedener zusammenwirkender Adhäsionsmoleküle reguliert wird. Weitere Faktoren, die das Homing beeinflussen sind Zytokine oder Chemokine. Diese Stimuli wirken über verschiedene intrazelluläre Signalwege, von denen die RhoProteinfamilie der kleinen GTPasen eine bestimmende Rolle in der Migration zugedacht wird, sowie andere Bestandteile der intrazellulären Signaltransduktion, wie Kinasen und GProteine. Die Migration in das Sphäroidmodell ist ebenso ein selektiver und gerichteter Prozeß, bei dem neben den primären CD34 Zellen aus Nabelschnurblut auch andere humane hämatopoetische Zelllinien eine gerichtete Einwanderung zeigen. Durch Zugabe eines Inhibitors von G Proteinen, Pertussis Toxin (PT), und Hemmung der kleinen GTPasen durch spezifische Toxine aus Clostridien konnte eine reproduzierbare und deutliche Verringerung der Migration in das Sphäroid erreicht werden. Die Migration hämatopoetischer Zellen in das Sphäroid erfolgt also unter Beteiligung der kleinen GTPasen, sowie PT sensitiver GProteine. Blockierungsversuche zeigten unerwarteterweise keine funktionelle Beteiligung des ChemokinRezeptorpaares SDF1/CXCR4 und des Adhäsionsmoleküls VLA4 bei der Migra- tion in das Sphäroid. Welche weiteren Mechanismen für diese Migration bedingend sind erfordert weitergehende Untersuchungen. Durch die Kultivierung von hämatopoetischen Stammzellen aus Nabelschnurblut mit den Zytokinen SCF, FL, TPO und IL3 gelang eine ausreichende Vermehrung von frühen und determinierten Progenitorzellen unter Erhalt ihrer Stammzellfähigkeiten, so daß ein klinischer Einsatz möglich wird. Dabei ergab sich durch Untersuchung der Migrationsfähigkeit im Sphäroidmodell, daß beim Homing der Zellen die Aktivierung der kleinen GTPasen und eines Pertussis Toxinsensitiven GProteins beteiligt sind.
Denisovite is a rare mineral occurring as aggregates of fibres typically 200–500 nm diameter. It was confirmed as a new mineral in 1984, but important facts about its chemical formula, lattice parameters, symmetry and structure have remained incompletely known since then. Recently obtained results from studies using microprobe analysis, X-ray powder diffraction (XRPD), electron crystallography, modelling and Rietveld refinement will be reported. The electron crystallography methods include transmission electron microscopy (TEM), selected-area electron diffraction (SAED), high-angle annular dark-field imaging (HAADF), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), precession electron diffraction (PED) and electron diffraction tomography (EDT). A structural model of denisovite was developed from HAADF images and later completed on the basis of quasi-kinematic EDT data by ab initio structure solution using direct methods and least-squares refinement. The model was confirmed by Rietveld refinement. The lattice parameters are a = 31.024 (1), b = 19.554 (1) and c = 7.1441 (5) Å, β = 95.99 (3)°, V = 4310.1 (5) Å3 and space group P12/a1. The structure consists of three topologically distinct dreier silicate chains, viz. two xonotlite-like dreier double chains, [Si6O17]10−, and a tubular loop-branched dreier triple chain, [Si12O30]12−. The silicate chains occur between three walls of edge-sharing (Ca,Na) octahedra. The chains of silicate tetrahedra and the octahedra walls extend parallel to the z axis and form a layer parallel to (100). Water molecules and K+ cations are located at the centre of the tubular silicate chain. The latter also occupy positions close to the centres of eight-membered rings in the silicate chains. The silicate chains are geometrically constrained by neighbouring octahedra walls and present an ambiguity with respect to their z position along these walls, with displacements between neighbouring layers being either Δz = c/4 or −c/4. Such behaviour is typical for polytypic sequences and leads to disorder along [100]. In fact, the diffraction pattern does not show any sharp reflections with l odd, but continuous diffuse streaks parallel to a* instead. Only reflections with l even are sharp. The diffuse scattering is caused by (100) nanolamellae separated by stacking faults and twin boundaries. The structure can be described according to the order–disorder (OD) theory as a stacking of layers parallel to (100).
Ubiquitin is a highly conserved protein involved in several cellular processes like protein degradation, endocytosis, signal transduction and DNA repair. The discovery of ubiquitin-like proteins (UBL) and ubiquitin-like domains (ULD) increases the number of regulation pathways where the property of the ubiquitin-fold is profitable.
Autophagy is the catabolic pathway used in cells to deliver cytosolic components and dysfunctional organelles to the lysosome for degradation. MAP1LC3 proteins are ubiquitin-like proteins involved in one hand for the expansion of the autophagosome, which sequesters cytosolic substrates. In the other hand, these proteins (LC3- and GABARAP- subfamilies) bind to autophagic receptors linked to polyubiquitinated proteins aggregates. For this project, the 3D structure of the GABARAPL-1/NBR1-LIR complex was determined and confirmed that GABARAPL-1 belongs to the MAP1LC3 proteins family, structurally characterized by an ubiquitin-fold, consisting of a central beta-sheet formed by four beta-strands and two alpha-helices on one side of the beta-sheet, preceded N terminally by two alpha-helices, resulting in the formation of two hydrophobic pockets, hp1 and hp2. The autophagic receptor NBR1 interacts with GABARAPL-1 through the hp1 and hp2 with its LIR motif taking an extended beta conformation upon binding, forming an intermolecular beta-sheet with the second beta-strand of GABARAPL 1. This LC3- interacting region (LIR) consists of an Theta XX Gamma sequence preceded by acidic amino acids, with Theta and Gamma represented by any aromatic and hydrophobic residues, respectively. Interaction studies of the LIR domains of p62, Nix and NBR1 with different members of the MAP1LC3 proteins family indicate that the presence of a tryptophan in the LIR motif increases the binding affinity. Substitution to other aromatic amino acids or increasing the number of negatively charged residues at the N-terminus of the LIR motif, however, has little effect on the binding affinity due to enthalpy-entropy compensation, suggesting that effector proteins can interact with a wide variety of different sequences with similar and moderate binding affinities.
Additionally to be present in proteins dealing with protein folding and degradation, ubiquitin-like domain were found protein involved in the regulation of signal transduction like TBK1, a serine/threonine kinase responsible for induction of immune response. In this second project, based on the NMR chemical shifts of the TBK1 domain contained between amino acids 302 and 383, secondary structure prediction programs (TALOS and CSI) confirmed the presence of an Ubiquitin-like domain in TBK1 by identifying one alpha-helix and four beta-strands sequentially aligned like following beta-beta-alpha-beta-beta. This alignment corresponds perfectly with the secondary structure elements of Ubiquitin and proved that TBK1_ULD belongs to the UBL protein superfamily. The similarity to ubiquitin was even bigger by the presence in addition of a small beta-strand and a short helix, which are observed as the beta 5-strand and a 310-helix in Ubiquitin, respectively. The first attempts on the 3D structure determination confirmed the Ub-fold but due to the lack of assignment in TBK1_ULD, only a structure based on ubiquitin as a model was determined. Interaction studies of TBK1_ULD with the IAD-SRR domain of IRF3 showed that both side of the molecule seems involved and that the TBK1/IRF3 interaction is more complex than a one to one binding process. Unfortunately, the instability of TBK1_ULD associated to the difficulty in the purification of IAD-SRR did not allow to further study this interaction more precisely.
Finally, to overcome the difficulty encountered in NMR experiments because of low expression and/or poor solubility, an expression vector using the intrinsic property of ubiquitin was designed. Fused to proteins or peptides targets, this construct produced proteins and peptides in a larger amount than with traditional expression vectors and also with a less cost than chemical synthesis for pure labeled peptides for NMR structural studies. The presence of a hexa histidine tag was useful for the isolation and the purification of the constructs. The existence of a TEV cleavage site was created to keep the possibility of releasing the ubiquitin moiety from the expressed protein or peptide. Moreover, the ubiquitin-tag could also still be attached to the protein/peptide of interest when biophysical methods like NMR, ITC or CD spectroscopy are applied, providing the same results than for the protein/peptide moiety alone.
Potential energy and dipole moment functions have been calculated for the ground states of the NeH+ (1.0 ≦ R ≦ 15 a. u.) and the KrH+ (1.6 ≦ R ≦ 20 a. u.) ion from highly correlated SCEP/VAR and SCEP/CEPA electronic wave functions. The following spectroscopic constants have been derived: Ne20H+ re = 0.996 ± 0.003 Å, ωe = 2896 ± 20cm-1 , D0(Ne + H+) = 2.10 ± 0.05 eV; Kr84H+ re = 1.419 ± 0.003 Å, ωe = 2561 ±20 cm-1 , D0(Kr + H+) = 4.65 ±0.05 eV. The Einstein transition probability coefficients of spontaneous emission have been calculated for all transitions v ≦ 5 of Ne20H+, Ne20D+, Kr84H+ and Kr84D+, respectively.
The kinetics of the photodynamic desactivation of lysozyme in presence of acridine orange as the sensitizer have been investigated in detail varying oxygen, protein, dye concentration, ionic strength and pH value. The kinetics can be approximately described as an over all pseudo-first- order rate process. Changing the solvent from water to D2O or by quenching experiments in presence of azide ions it could be shown that the desactivation of lysozyme is caused exclusively by singlet oxygen. The excited oxygen occurs via the triplet state of the dye with a rate constant considerably lower than that to be expected for a diffusionally controlled reaction. Singlet oxygen reacts chemically (desactivation, k=2.9 × 107 ᴍ-1 sec-1) and physically (quenching process, k = 4.1 × 108 ᴍ-1sec-1) with the enzyme. The kinetical analysis shows that additional chemical reactions between singlet oxygen and lysozyme would have only little influence on the kinetics of the desactivation as long as their products would be enzymatically active and their kinetical constants would be less than about 1 × 108 ᴍ-1 sec-1.
The photodynamic deactivation of lysozyme in presence of acridine orange is caused by a reaction between singlet oxygen formed via the dye triplet state and the protein. In order to identify the region where the singlet oxygen reacts with the protein we have investigated the kinetics of the deactivation in presence ofthe inhibitor of the enzymatic reaction N-acetylglucosamine (GlcNAc). The overall experimental rate constant becomes slower with increasing saccharide concentrations. As we can exclude experimentally that this kinetical effect is caused in presence of the saccharide by a physical quenching of singlet oxygen or of the dye triplet state it has to be assumed that GlcNAc protects the surrounding of its bindings place at subsite C of the enzymatic center sterically against an attack of singlet oxygen. In this region three tryptophan residues are located, which could be sensitive against singlet oxygen. Surprisingly, however, it has been found that only those species are protected, in which a second saccharide molecule is bound to the protein, probably at subsite E at the enzymatic center, where no sensitive amino acid side chains are located.
Synthese und Optimierung von Nitroxyl-Spin-Labeln zur Analyse von Nukleinsäuren mittels EPR und NMR
(2010)
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde der Einsatz der Nitroxyl-Spin-Markierung für die Strukturaufklärung von Oligonukleotiden getestet. Dafür wurden im Vorfeld verschiedene Spin-Label synthetisiert und charakterisiert. Bei den Nitroxiden handelt es sich hierbei um das Spin-Label TPA (2,2,5,5-Tetramethyl-pyrrolin-1-oxyl-3-acetylene) und TEMPA (2,2,6,6-Tetramethyl-3,4-dehydro-piperidin-N-oxyl-4-acetylene). Beide Spin-Label wurden auch als deuteriert und 15N-markiert synthetisiert. Basierend auf den erhaltenen Ergebnissen auf dem Gebiet der Modell-Systeme und Modell-RNAs wurden biologisch relevante und strukturell anspruchsvolle Oligonukleinsäuren untersucht. Dabei konnten DNA-RNA-Hybride, die HCV-IRES Domain II, ein Tetra-Loop, das Neomycin-B Aptamer, das Diels-Alder Ribozym und ein Nep1-RNA-Komplex charakterisiert werden. Die Einführung des Spin-Labels erfolgte noch auf der Festphase mittels der Sonogashira-Kreuz-Kupplungs Reaktion.
Tumorspezifische T-Zellen stellen den im Prinzip wirkungsvollsten Mechanismus zur Abstoßung von Tumoren dar. Voraussetzung für die Aktivierung tumorspezifischer zytotoxischer CD8+ T-Zellen (Tc oder CTLs) ist die Präsentation von Tumorantigenen auf MHC-Klasse I Molekülen durch professionelle Antigen-präsentierende Zellen (APCs). Wegen ihrer Schlüsselrolle bei der Aktivierung von T-Zellen werden APCs in der aktiven Krebs-Immuntherapie eingesetzt. Unabhängig von CTLs können auch CD4+ Helfer T-Zellen (Th) eine Reihe effektiver Anti-Tumor Mechanismen einleiten. Die Aktivierung von CD4+ erfordert die Präsentation des Antigens via MHC-Klasse II Molekülen. Bis jetzt konnten jedoch nur einige wenige tumor-spezifische Th-Epitope identifiziert werden, welche auf MHC-Klasse II Molekülen präsentiert werden. Aus diesem Grund benutzen die meisten derzeitigen Vakzinierungsstrategien definierte Tc-Epitope, die in der Lage sind, spezifische Immunantworten gegen das Tumorantigen auszulösen. Diese Vakzine basieren auf tumorspezifischen Peptiden, Proteinen oder Proteinfragmenten, aber auch auf DNA-Konstrukten, welche für ein bestimmtes Tumorantigen kodieren. Um allerdings eine ausreichend starke Immunreaktion auszulösen, ist es notwendig diese normalerweise nur schwach immunogenen Substanzen zusammen mit Adjuvanzien zu verabreichen. Dendritische Zellen (DCs) sind hoch-effiziente APCs. Weil sie in der Lage sind, die primäre Immunantwort einzuleiten werden sie auch als „natürliches Adjuvanz“ bezeichnet. Nicht zuletzt deswegen werden bei der Entwicklung von Vakzinen immer mehr die einzigartigen Eigenschaften von DCs ausgenutzt. Gegenwärtige Studien untersuchen daher die Beladung von DCs mit synthetischen, tumorspezifischen Peptiden oder Tumor-Lysaten, um eine Aufnahme des Tumorantigens sowie dessen anschließende Präsentation auf MHCKlasse I Molekülen zu erreichen. Obgleich einige dieser Vakzinierungs-Ansätze zu vielversprechenden Ergebnissen führten, sind solche Strategien mit der aufwendigen und kostenintensiven ex vivo Aufbereitung primärer Dendritischer Zellen verbunden. Zudem muss gewährleistet sein, dass die ausgewählten T-Zell Epitope auch vom jeweiligen MHC-Haplotyp des Patienten präsentiert werden. Um einige dieser Nachteile auszugleichen, wären „Konstrukte“ wünschenswert, welche in vivo einen zielgerichteten Transport eines oder besser, mehrerer T-Zell Epitope zu den Dendritischen Zellen ermöglicht. Mit der Entwicklung und Optimierung von Systemen, die Tumorantigene gezielt zu und in APCs transportieren, könnte die Effizienz herkömmlicher Vakzinierungen gesteigert und deren Dosierung verringert werden. In dieser Arbeit wird die Herstellung sowie die funktionelle Charakterisierung zweier neuartiger Vakzine beschrieben. Diese Vakzine wurden für die in vivo Vakzinierung gegen das tumorassoziierte Antigen ErbB2 (HER2/neu) entwickelt. ErbB2 wird in einer Reihe von Tumoren wie Brust- und Ovarialkarzinomen oder Adenokarzinomen der Lunge überexprimiert. Andere Tumorenentitäten wie Kolon-, Nieren-, Blasen-, Speicheldrüsen-, Prostata- und Pankreaskarzinome zeigen ebenfalls eine variable Überexpression von ErbB2. Ziel des ersten der beiden Vakzinierungsansätze war eine verbesserte Aufnahme und Präsentation von Tumorantigenen durch APCs zu erreichen. Als Teil eines Fusionsproteins sollte hier die zielgerichtete Bindung einer antigenen Determinante an APC-spezifische Oberflächenmoleküle und deren anschließende Aufnahme und Prozessierung innerhalb von APCs ermöglicht werden. Als mögliche APC-Bindedomäne wurde ein Fragment gewählt, welches sich vom extrazellulären Anteil des B7-Rezeptors CTLA-4 (CTLA-4125) ableitet. B7 ist ein Oberflächenprotein, das speziell auf APCs exprimiert wird. Nach der bakteriellen Expression und Reinigung wurde durch FACS-Analyse gezeigt, dass lösliches humanes CTLA-4125 spezifisch sowohl an murine als auch humane B7 Moleküle bindet und daher als effektive APC-Bindungsdomäne für den zielgerichteten Transport von Tumorantigenen zu APCs verwendet werden kann. Als chimäre Proteinvakzine zur spezifischen Bindung an APCs wurden zwei mit C-ErbB2(N) bzw. C-E-ErbB2(N) bezeichnete Fusionsproteine konstruiert. Diese setzen sich aus CTLA-4125 am N-Terminus für die Bindung an APCs und einem Fragment des extrazellulären Teils des humanen tumorassoziierten ErbB2 Antigens (ErbB2(N), Aminosäuren 1-222) am C-Terminus zusammen. Beim C-E-ErbB2(N) Protein wurde zusätzlich die Translokationsdomäne von Pseudomonas exotoxin A (ETA II) zwischen der APC-Bindungsdomäne und der antigenen Determinante eingefügt. Diese Domäne könnte nach Rezeptor-vermittelter Aufnahme des Fusionsproteins die Freisetzung des Tumorantigens aus dem Endosom ins Zytoplasma verbessern und so die Prozessierung und Präsentation des Antigens via MHC-Klasse I verstärken. Beide chimären CTLA-4-ErbB2 Fusionsproteine wurden in E. coli exprimiert und mittels Metallchelat-Chromatographie aus den bakteriellen Lysaten gereinigt. Die spezifische Bindung der rekombinanten Fusionsproteine an B7 Moleküle auf der Zelloberfläche sowie deren Aufnahme durch B7-exprimierende humane Raji Zellen wurde mittels FACS Analyse und konfokaler Mikroskopie nachgewiesen. In Balb/c Mäusen wurde untersucht, inwieweit die Fusionsproteine eine Immunantwort gegen das Tumorantigen auslösen können. Die Vakzinierung von Balb/c Mäusen mit den CTLA-4 Fusionsproteinen bewirkte die Abstoßung anschließend subkutan injizierter syngener ErbB2-positiver Nierenkarzinomzellen (Renca-lacZ/ErbB2) nach subkutaner Injektion. Dies deutet auf die Erzeugung protektiver Immunität hin. Obgleich beide Fusionsproteine effektiv waren, zeigte das Fusionsprotein C-ErbB2(N), dem die bakterielle Translokationsdomäne fehlt, in mehreren unabhängigen Experimenten eine höhere Wirksamkeit als C-E-ErbB2(N). Vakzinierung mit den CTLA-4 Fusionsproteinen erzeugte keinen Schutz gegen ErbB2-negative Kontroll-Tumorzellen. Dies Experimente zeigt die Antigen-Spezifität der induzierten Immunantwort nach Vakzinierung mit CTLA-4 Fusionsproteinen. T-Zell Depletionsexperimente ergaben, dass die protektiven Effekte eindeutig von CD8+ CTLs abhängig waren. Eine erneute, diesmal intravenöse Applikation von ErbB2+ Tumorzellen in vakzinierte, tumorfreie Mäuse zwei Monate nach der ersten, subkutanen Injektion („Re-challenge“) führte nicht zur Ausbildung von Lungenmetastasen. Dies deutet darauf hin, dass durch die Vakzinierung eine langanhaltende Immunreaktion induziert wurde. In therapeutischen Vakzinierungsexperimenten, die wohl am ehesten eine klinische Situation in Tumorpatienten widerspiegeln, wurden die CTLA-4 Fusionsproteine in die Umgebung bereits etablierter subkutaner Renca-lacZ/ErbB2 Tumoren injiziert. In zwei unabhängigen Experimenten konnte gezeigt werden, dass durch die therapeutische Vakzinierung mit CErbB2(N) 7 von 8 Mäusen geheilt werden konnten, wohingegen die Wirkung von C-EErbB2(N) – von 8 Mäusen wurden 6 geheilt – auch im therapeutischen Einsatz etwas schwächer zu sein schien. Nach einem intravenösen „Re-challenge“ mit Renca-lacZ/ErbB2 Zellen waren bereits geheilte Tiere auch vor der Ausbildung von Lungenmetastasen geschützt. Dies bestätigt eine durch die Vakzinierung hervorgerufene lang-anhaltende Anti-Tumor Immunität. Alternativ zur Produktion rekombinanter Proteinvakzine in Bakterien wurde auch die direkte Injektion von DNA-Konstrukten zur in vivo Expression und Sekretion der CTLA-4 Fusionsproteine getestet (DNA-Vakzinierung). Basierend auf dem Plasmid pSecTag2 wurden Säugerzell-Expressionsvektoren hergestellt, welche unter der Kontrolle eines CMVPromotors die beiden Fusionsproteine C-ErbB2(N) bzw. C-E-ErbB2(N) kodieren. Ein Igk “leader” Signalpeptid ermöglicht hierbei die Sekretion der produzierten Proteine. Nach Transfektion der Plasmide in COS-7 Zellen konnte Sekretion der CTLA-4-Fusionsproteine in den Zellkulturüberstand sowie deren Zellbindungsspezifität für B7, mit Hilfe von Western-Blot und FACS-Analysen nachgewiesen werden. Protektionsexperimente ergaben, dass alle Balb/c Mäuse, die vorher durch intramuskuläre Injektion der CTLA-4-ErbB2 DNA-Vakzine vakziniert wurden, vor dem Anwachsen subkutan injizierter Renca-lacZ/ErbB2 Tumorzellen geschützt waren. Mäuse, die als Kontrolle mit dem leeren pSecTag2 Vektor vakziniert wurden, entwickelten dagegen schnell wachsende Tumoren. In diesem ersten Teil dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass chimäre Proteinvakzine, die in einer einzigen Polypeptidkette eine Zellerkennungsdomäne zur spezifischen Bindung an APCs und ein antigenes Proteinfragment aus dem humanen ErbB2 enthalten, in vivo eine äußerst wirkungsvolle ErbB2-spezifische T-Zell vermittelte Anti-Tumor Immunantwort auslösen. Hierbei konnte sowohl durch die Injektion von rekombinanten, in Bakterien hergestellten Proteinen, wie auch durch DNA-Vakzinierung zur in vivo Produktion dieser chimären Proteinvakzine erreicht werden, dass syngene, ErbB2 exprimierende Tumoren abgestoßen wurden. Die oben beschriebenen chimären Proteinvakzine enthalten ein großes Proteinfragment, abgeleitet aus einem humanen Tumorantigen, welches zu APCs befördert und von ihnen aufgenommen wird. Dieser Ansatz ist nicht unbedingt abhängig von einem bestimmten MHCTyp und möglicherweise besonders dann wirkungsvoll, wenn Immunantworten gegen Antigene erzeugt werden sollen, für die noch keine von MHC-Molekülen präsentierten Peptide identifiziert sind. Für Tumorantigene, aus welchen bereits einzelne Peptide als potentielle Tumorabstoßungs-Antigene definiert sind, wurden in einzelnen Fällen synthetische Derivate solcher Peptide erfolgreich eingesetzt, um hochspezifische T-Zell Antworten zu erzeugen. Aber auch in diesem Fall könnte die Verknüpfung des Antigens mit einem geeigneten „Antigen-Carrier“ eine verbesserte Aufnahme und Präsentation durch APCs und eine Verstärkung der Immunantwort gegen das Antigen zur Folge haben. Aus diesem Grund wurde in einem alternativen Ansatz zur Induktion einer ErbB2-spezifische Anti-Tumor Immunität die in vivo Anwendung von synthetischen Vakzin-Komplexen untersucht, welchen ein liposomaler Träger als Vektor für Peptid-Antigene zugrunde liegt. Diese Peptide sind über einen immunstimulatorischen Lipopeptid-Anker (Pam3CysSerSer) mit der Oberfläche solcher Liposomen verknüpft. Dieser Teil der Arbeit wurde in enger Kollaboration mit Audrey Roth, Dr. Benoit Frisch und Dr. Francis Schuber, Laboratoire de Chimie Bioorganique, Faculté de Pharmacie, Université Louis Pasteur (ULP), Strasbourg ausgearbeitet, die alle in dieser Arbeit verwendeten liposomalen Vakzine konstruierten und für in vivo Untersuchungen bereitstellten. Zwei liposomale Substanzen wurden synthetisiert. Ein Mono-Epitop Konstrukt, als „Tc-ErbB2-liposomes“ bezeichnet, trägt ein Tc-Epitop (TYLPTNASL), welches sich von der Aminosäuresequenz des humanen ErbB2 Moleküls ableitet. Es war bereits vorher gezeigt worden, dass dieses Peptid mit hoher Affinität an das murine H-2Kd MHC-Klasse I Molekül bindet und eine Peptid-spezifische CTL Immunantwort in Balb/c Mäusen auslösen kann. Die zweite liposomale Substanz, als „Tc-ErbB2/Th-liposomes“ bezeichnet, enthält zusätzlich zum ErbB2-Peptid noch ein universelles Th-Epitop, das sich vom Influenza Virus Hämagglutinin (HA 307-319) ableitet und ebenfalls über den adjuvanten Anker mit dem Liposom verbunden ist. Durch das Hinzufügen des Th-Epitops wurde beabsichtigt, zusätzlich CD4+ Helfer TZellen zu rekrutieren und damit die CTL Antwort gegen das Tc-Epitop zu verstärken. Durch ex vivo Restimulation von Milzzellen aus zuvor mit den liposomalen Konstrukten vakzinierten Tieren mit dem ErbB2-Peptid konnte die in vivo Aktivierung Tc-spezifischer CTLs nachgewiesen werden. In dem gleichen immunkompetenten Balb/c Maus-Modell, das auch zur Charakterisierung der CTLA-4-ErbB2 Proteinvakzine verwendet worden war, wurde auch die anti-tumorale Aktivität der liposomalen Komplexe untersucht. Die Vakzinierung von Balb/c Mäusen mit beiden Konstrukten, Tc-ErbB2-liposomes und Tc-ErbB2/Th-liposomes, führte zur Abstoßung anschließend subkutan injizierter ErbB2 exprimierender RencalacZ/ErbB2 Zellen. Eine therapeutische Vakzinierung von Mäusen, die bereits etablierte ErbB2+ Tumoren trugen, führte zu einem verlangsamten Wachstum in einigen und zur kompletten Abstoßung in den übrigen Tieren. In Kontrolltieren, die lediglich mit dem liposomalen Träger vakziniert waren, konnten keinerlei Tumorregression beobachtet werden. Während beide liposomalen Substanzen sowohl bei der protektiven als auch bei der therapeutischen Vakzinierung Anti-Tumor Effekte zeigten, verstärkte das Hinzufügen des Th-Epitops zu den „Tc-ErbB2 liposomes“ sowohl die ErbB2-spezifische Immunantwort als auch die Anti-Tumor Immunität. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung einer synergistischen CD4+ T-Zell Aktivierung als Teil von Anti-Tumor Immunantworten. Unabhängig von ihrer unterschiedlichen Wirkungsweise und chemischen Zusammensetzung stellen beide in dieser Arbeit untersuchten Vakzinkomplexe effektive Tumorvakzine dar, die nach ihrer Anwendung in vivo ErbB2-spezifische, T-Zell vermittelte Anti-Tumor Immunantworten auslösen können. Die chimären Fusionsprotein-Vakzine enthalten ein großes antigenes Proteinfragment. Durch ihre spezifische Zellbindungsdomäne wird der zielgerichtete Transport zu und die Aufnahme des Antigens in APCs, gefolgt von in vivo Prozessierung des Proteins in kleine antigene Peptide, MHC-Präsentation und schließlich Aktivierung tumorspezifischer T-Zellen gewährleist. Dieser Ansatz könnte insbesondere dann nützlich sein, wenn für das jeweilige Tumorantigen noch keine passenden T-Zell Epitope charakterisiert sind. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Konstrukte ist, dass in einem einzigen Vakzin mehrere unterschiedliche antigene Determinanten bereitgestellt werden können. Für eine Reihe von Tumorantigenen sind bereits einzelne Peptide als potentielle Tumorabstoßungs-Antigene charakterisiert worden. Die in dieser Arbeit beschriebenen neuartigen liposomalen Träger, welche zusätzlich zum Tc-Epitop einen immunstimulatorischen Anker und ein starkes Th-Epitop tragen, könnten dazu beitragen, die Immunogenität und die anti-tumorale Aktivität synthetischer Peptid-Vakzine zu erhöhen.
The mitophagy receptor Nix interacts with LC3/GABARAP proteins, targeting mitochondria into autophagosomes for degradation. Here we present evidence for phosphorylation-driven regulation of the Nix:LC3B interaction. Isothermal titration calorimetry and NMR indicate a ~100 fold enhanced affinity of the serine 34/35-phosphorylated Nix LC3-interacting region (LIR) to LC3B and formation of a very rigid complex compared to the non-phosphorylated sequence. Moreover, the crystal structure of LC3B in complex with the Nix LIR peptide containing glutamic acids as phosphomimetic residues and NMR experiments revealed that LIR phosphorylation stabilizes the Nix:LC3B complex via formation of two additional hydrogen bonds between phosphorylated serines of Nix LIR and Arg11, Lys49 and Lys51 in LC3B. Substitution of Lys51 to Ala in LC3B abrogates binding of a phosphomimetic Nix mutant. Functionally, serine 34/35 phosphorylation enhances autophagosome recruitment to mitochondria in HeLa cells. Together, this study provides cellular, biochemical and biophysical evidence that phosphorylation of the LIR domain of Nix enhances mitophagy receptor engagement.
Atomic-level analyses of non-native protein ensembles constitute an important aspect of protein folding studies to reach a more complete understanding of how proteins attain their native form exhibiting biological activity. Previously, formation of hydrophobic clusters in the 6 M urea-denatured state of an ultrafast folding mini-protein known as TC5b from both photo-CIDNP NOE transfer studies and FCS measurements was observed. Here, we elucidate the structural properties of this mini-protein denatured in 6 M urea performing 15N NMR relaxation studies together with a thorough NOE analysis. Even though our results demonstrate that no elements of secondary structure persist in the denatured state, the heterogeneous distribution of R2 rate constants together with observing pronounced heteronuclear NOEs along the peptide backbone reveals specific regions of urea-denatured TC5b exhibiting a high degree of structural rigidity more frequently observed for native proteins. The data are complemented with studies on two TC5b point mutants to verify the importance of hydrophobic interactions for fast folding. Our results corroborate earlier findings of a hydrophobic cluster present in urea-denatured TC5b comprising both native and non-native contacts underscoring their importance for ultra rapid folding. The data assist in finding ways of interpreting the effects of pre-existing native and/or non-native interactions on the ultrafast folding of proteins; a fact, which might have to be considered when defining the starting conditions for molecular dynamics simulation studies of protein folding.
Der Lichtsammelkomplex II (LHCII) dient als Lichtantenne für das photosynthetische Reaktionszentrum II der höheren Pflanzen. Seine Trimere stellen das häufigste Protein in der Thylakoidmembran dar. Ungefähr die Hälfte des Chlorophylls der Pflanze befindet sich in diesem Komplex. Der LHCII ist ein integrales Membranprotein und bindet neben Chlorophyll a und b auch verschiedene Carotinoide. Seine Pigmente absorbieren Licht und geben die dadurch aufgenommene Energie an die photosynthetischen Reaktionszentren weiter, wo sie ausgehend von einer Ladungstrennung chemisch konserviert wird. Die Weiterleitung der Anregungsenergie im LHCII geschieht über spezifische Pfade und mit ultraschneller Kinetik im Femtosekundenbereich. Der LHCII ist das einzige Antennenprotein der höheren Pflanzen, dessen dreidimensionale Struktur bei einer fast atomaren Auflösung von 3.4Å gelöst wurde. Bei dieser Auflösung war es jedoch nicht möglich, den Unterschied zwischen Chlorophyll a und b zu bestimmen, außerdem waren nur zwei der insgesamt drei bis vier gebundenen Carotinoide sichtbar. Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, die einzelnen Pigmente, deren Positionen aus der Struktur bekannt waren, nach ihrer chemischen Natur zuzuordnen. Hierzu wurden mutierte Komplexe untersucht, bei denen jeweils ein bestimmtes Chlorophyllmolekül fehlte. Dies wurde durch Punktmutationen im Polypeptid erreicht, bei denen diejenige Aminosäure ausgetauscht war, an die ein bestimmtes Chlorophyllmolekül über das zentrale Mg 2 Atom gebunden war. Die veränderten Proteine wurden durch ortsgerichtete Mutagenese und Überexpression des Polypeptids in E. coli hergestellt, wo sie ohne die Pigmente aggregiert in Einschlusskörpern vorlagen. Die Rückfaltung in Gegenwart von Pigmenten und Detergenzien erfolgte auf einer NickelAffinitätssäule, an die das LHC Protein mittels einer HexaHistidinmarkierung gebunden war. So konnte in einem biochemischen Schritt das Protein gefaltet, die Pigmente inkorporiert und die native, trimere Form gebildet werden. Die Rückfaltung von histidinmarkierten Proteinen auf Metallaffinitätssäulen kann als generelle Methode auch für andere, schwierig zu faltende, lösliche und Membranproteine angewandt werden. Der native Zustand des rückgefalteten LHCII wurde folgendermaßen bewiesen: Der Pigmentgehalt, der durch HPLC Analyse bestimmt worden war, war identisch zum nativ isolierten Protein. Auch ein Absorptionsspektrum zeigte bei 4K die charakteristische Aufspaltung in mehrere Chlorophyllmaxima. Es konnte gezeigt werden, dass in einem Fluoreszenzexperiment die Anregungsenergie, die bei kurzwelligem Chlorophyll b eingestrahlt wurde, im Komplex komplett auf das langwelligste Chlorophyll a übertragen wurde. Schließlich wurden aus dem rekombinanten Protein zweidimensionale Kristalle erzeugt, deren elektronenmikroskopische Projektionsbilder identisch zu denen des Nativproteins waren. Der Austausch der Chlorophylle an einigen Bindungsstellen durch Chlorophyllderivate, die entweder im Zentralatom oder in der Porphyrinringstruktur verändert waren, zeigte, dass das Zentralatom den entscheidenden Faktor zur Stabilisierung der Chlorophyllbindung darstellt. Es wurden neun Mutanten erzeugt, bei denen jeweils derjenige Aminosäurerest ausgetauscht war, von dem aus der Struktur bekannt war, dass er den fünften Liganden für das zentrale Mg 2 Atom eines bestimmten Chlorophylls darstellt. Die HPLC Analyse ihrer Pigmente zeigte, dass die Mutanten tatsächlich jeweils ungefähr ein Chlorophyllmolekül verloren hatten; dies diente dazu, die jeweilige Bindungstasche zu Chl a oder Chl b zuzuordnen. Nur sechs Mutanten bildeten Trimere, ihre biochemischen Daten zeigten, dass die in der Struktur vorgenommene Zuordnung bis auf das Chl b3 korrekt war. Einige Chlorophyllmutanten waren auch in ihrem Gehalt an Neoxanthin reduziert, daraus konnte die ungefähre Lage des Neoxanthins in der Nähe der Helix C abgeleitet werden. Die mutierten Proteine lieferten nicht nur die Zuordnung einer Bindungstasche zu einem bestimmten Chlorophylltyp, sondern es konnte aus den Differenzspektren im Vergleich zum Wildtyp auch die Wellenlänge eines bestimmten Chlorophylls abgeleitet werden. Um eine höhere spektrale Auflösung zu erzielen, wurden die Spektren bei 4K aufgenommen. Die Zuordnung einzelner spektraler Banden zu bestimmten Chlorophyllen zeigte, dass in einer bestimmten Bindungstasche nur entweder Chlorophyll a oder Chlorophyll b gebunden war, da sich nur eine einzige Differenzbande im Spektrum ergab. Weiterhin implizieren die gefundenen Einzelbanden, dass die Pigmente keiner starken excitonischen Kopplung unterliegen, wie dies zum Beispiel im B850 Ring des bakteriellen Lichtsammelkomplexes der Fall ist. Bei LHCII Komplexen, die nur mit Chlorophyll b rückgefaltet worden waren, zeigte sich eine ungewöhnlich langwellige Fluoreszenz bei 77K. Dies könnte auf eine räumlich limitierte Kopplung eines einzelnen Chlorpohyllpaars hinweisen. Bei der Mutante der Chl a2 Bindungsstelle zeigte sich, dass dies das langwelligste der untersuchten Pigmente war. Der zugehörige Koomplex war auch der einzige, bei dem die Fluoreszenz ins Kürzerwellige verschoben war. Die Lage des Chlorophylls a2 an der Außenseite des Proteins ist prädestiniert für die Energieübertragung zum photosynthetischen Reaktionszentrum oder zu benachbarten LHC Komplexen.
Über das Verhalten von silicium- und zinnorganischen Verbindungen bei der Synthese von Heterocyclen
(1977)
The isocyanates of silicon (CH3)2Si(NCO)2 and Si(NCO)4 react with CH3N[Sn(CH3)3]2 and N[Sn(CH3)3]3 to yield the cyclic derivatives 2a-2b as well as the spiro compound 3. The structures of the compounds are discussed on the basis of 1H NMR and IR data. Mass spectra are not conclusive for assigning a certain structure. SO2(NCO)2 and (CH3)3Si-S-Si(CH3)3 form a cyclic compound 4 which contains two sulfur atoms of coordination number two and four. The results of the mass spectra can be interpreted by assuming that a rearrangement occurred. 4 hydrolyses under formation of 5.
1 reacts with SCl2 to yield 2. The methylsilane derivatives [OC–NCH3–CO–NCH3-SO2–N]nSi(CH3)4-n for n = 2, 3 and 4 are readily prepared from 1 and (CH3)2SiCl2, CH3SiCl3 and SiCl4. The IR and mass spectra are reported.
CH3P(S)(NCO)2 reacts with [(CH3)3Si]2N-CH3, [(CH3)3SiNCH3]2CO and [(CH3)3Sn]3N to give the cyclic compounds 2a-2c. The structures are discussed on the basis of NMR and IR data. In 2 a and 2 b the (CH3)3Si-groups are easily and quantitatively replaced by protons with water under formation of (CH3)3Si-O-Si(CH3)3. By the reaction of CH3P(S)(NCO)2 with [(CH3)3Si]2S 4 is obtained, a cyclic compound with a sulfur atom of coordination number 2.
FP(S)(NCS)2 was used to investigate the scope of these reactions. With [(CH3)3Si]2NCH3 and FP(S)(NCS)2 5 is obtained, which reacts with S2Cl2 to yield 6, a bridged disulfur compound. This method may be useful for the systematic investigation of new cyclic compounds.
Arsenhaltige Heterocyclen
(1978)
In the reaction of N,N'-bis-trimethylsilyl-dimethylurea with As[N(CH3)2]3 a four membered ring O = C(NCH3)2AsN(CH3)2 1 could be isolated. 1 was not obtained by cleavage of the Si-N-bonds with the corresponding chloride. In contrast CH3N[CONCH3Si(CH3)3]2 reacts with AsCb to yield the six-membered ring CH3N(CON-CH3)2ASCl 2. The four-membered ring which contains an arsenic-halogen bond seems to be unstable. In the adamantane-type compound, AS4(NCH3)6, one methylamine could be eliminated by CF3SO3H to give AS4(NCH3)5(OSO2CF3)2 3. 1H, 19F NMR as well as mass spectroscopy have been used in the characterization of the products obtained.
As[N(CH3)2]3 reacts with the following isocyanates: FSO2NCO, n-C4F9SO2NCO, SO2(NCO)2 and (CH3)3SiNCO. The products which result from reaction of FSO2NCO and n-C4F9SO2NCO are the acyclic tri- and bisubstituted arsines [xxx]
In contrast, SO2(NCO)2 and (CH3)3SiNCO form eight- and four-membered ring compounds, where the skeleton consists of the atoms As2S2N4 (3) and As2N2 (4). The new compounds were characterized by NMR and mass spectra.
The reactions of N,N′ -bis(pentafluorophenyl)sulfurdiimide with [(CH3)3Sn]2NCH3, [(CH3)3Sn]3N and [(CH3)3Sn]2NC6F5 yiels the 1:1 adducts 1-3. 1H and 19 F NMR investigations show, that fluorine atoms in the ortho position of the phenyl ring coordinate to the tin atom. This causes an increase of electron density at tin. A similar interpretation is given for the adduct 4 of N,N′-bis(p-chlorophenylsulfonyl)sulfurdiimide and [(CH3)3Sn]2NCH3, where an oxygen atom of the sulfonyl group is bonded to tin.
Substituted amides react with tridiloromethanesulfenyl chloride in the presence of triethylamine to following compounds: S=PCl2NCH3SCCl3, S=PFCl2NCH3SCCl3, S =PFClNCH3SCCl3, S=PF2NCH3SCCl3, O = PCl2NCH3SCCl3, O= PFClNCH3SCCl3, O = PF2NCH3SCCl3, FSO2NCH3SCCl3 and CF3SO2-NCH3SCCl3. The properties of these substances are described. They were characteriszed by elemental analyses, IR- and mass spectra. 19F-, 1H- and 31P-NMR spectra are reported and discussed.
By reacting S = PX2NHCH3 or O = PX2NHCH3 (X = F and/or Cl) with S = PF2Br in the presence of triethylamine the following compounds are prepared: S = PCl2NCH3F2P = S, S = PFClNCH3F2P = S, O = PCl2NCH3F2P = S and O = PFClNCH3F2P = S. Also, the infrared, proton NMR, fluorine NMR, phosphorus NMR, and mass spectral data of these compounds are presented and discussed.
Pyrosulfonyldifluoride reacts with waterfree hydrazine in a molar ratio of 2 : 3 to give hydrazine -1,2-bis(sulfonylfluoride) in a low yield.. The reaction of N-fluorosulfonylamide and SOCl2 yields NH4⊕⊖ N(SO2F)2. This salt is converted to (C6H5)4P⊕⊖N(SO2F)2 in water by (C6H5)4PCl. (CH3)2NNH2 reacts with PSF3, PSF2Br, PSF2CH3 or PSF2C2H5 to yield the following compounds: (CH3)2NNHPSF2, (CH3)2NN (PSF2)2, (CH3)2NNHPSFCH3 and (CH3)2NNHPSFC2H5. The properties and the chemical behaviour of these substances are described. Results of ir-spectra, as well as 31P-, 19F- and 1H-nmr- and mass-spectra and elemental analysis characterize the compounds.
Eight-membered rings of the composition [SO2(NR)2PR′]2 3a-d with R = CH3, C2H5, and R′ = CH3, C6H5, were prepared from substituted sulfamides and dichlorophosphanes in the presence of a tertiary amine. These molecules were characterized on the basis of 1H and 31P NMR investigations and of mass spectra. 3 a reacts with phosphorus pentachloride to yield the spirocyclic derivative 4 with the phosphorus atom in the center of two four-membered rings. Methyliodide reacts with 3 a and 3 b under opening of the eight- membered ring and formation of phosphonium salts. The structure of 3 b is discussed in detail. 8b crystallizes in the orthorhombic space group Pna 21 with a = 12.60(0), b = 13.27(1), c = 12.62(4) Å.
R-P(Se)F2- (R = CH3, C2H5, C3H11, C6H5, N(CH3)2, N(C2H5)2, NHSi(CH3)3) and R-P(Se)FCl-compounds (R = CH3, C2H5) can be prepared by reaction of R-P(Se)Cl2-derivatives with antimony(III)fluoride under reduced pressure. In some cases the oxidation of fluorophophines with elemental selenium is successful. The isolated compounds are colourless volatile liquids which are sensitive to air and moisture. The chemical properties are described.
1H-, 19F-, 31P-NMR-, IR- and Raman-spectroscopic data are given. Main stretching frequencies are discussed by comparison with similar oxygen- and sulphur-compounds.
The preparations of the following compounds are described: O = PF2N = PCl2N = PCl3, O = PF2N = PCl2N = PCl2N (CH3) 2, O = PF2N=PCl2N = PCl2N (C2H5) 2, O = PF2N = PCl2N (CH3) 2, O = PF2N = PCl2N (C2H5)2, O = PF2N = PCl2N (CH3) Si (CH3)3, O = PF2N = PCl2NCS, O = PFClN = PCl2N (CH3)2, O = PFClN = PCl2N (C2H5)2, O = PFClN = PCl [N (C2H5)2]2 and O =P (C6H5) FN = PCl3. They were characterized by 1H-, 19F- and 31P-nmr spectroscopy. Analytical, ir and mass spectral data are reported. The properties of these substances are compared with the corresponding thiophosphorylderivatives.
By substitution of a halogen atom in cyclic phosphazenes by isocyanate or isothiocyanate new members of this class of compounds are synthesized. These compounds are fairly stable against hydrolysis. Reaction of the new compounds with amines yields
P3N3F5NHC(O)N(CH3)2 and P3N3F5NHC(S)N(CH3)2. With elemental chlorine P3N3F5N = CCl2 is formed. Numerous IR, NMR and mass spectra data of the new compounds are reported.
P3N3F5NHNH2 reacts with P3N3F5Br to yield the symmetric hydrazide P3N3F5-NHNHP3N3F5. Compounds of the type P3N3F5NHNHC(O)CX3 and P3N3F5NHN = CX2 are readily prepared from P3N3F5NHNH2 and carbonic acid chlorides and respectively aldehydes and ketones.
The reaction product of P3N3F5NHNH2 and CH3CH2CHO gives a dimeric derivate. Its structure was proofed by molecular weight, IR- and mass spectra.
The preparation of (CH3)3SnSPSFC2H5, Pb(SPSFCH3)2, Pb(SPSFC2H5)2 and CH3HgSPSFCH3 is described. On the basis of NMR the structure was formulated as ... All the complexes are colourless and monomeric in solution. The magnetic and reflectance spectra of Cr(S2PFCH3)3, Mn(S2PFC2H5)2, Co(S2PFCH3)2, Ni(S2PFCH3)2 and Ni(S2PFC2H5)2 are reported and interpreted.
S4N3Cl reacts with sulfonic acids and imido- bissulfonyl derivatives under HCl-evolution to the following compounds: S4N3SO3CF3, S4N3N (SO2F)2, S4NSO3CH3HSO3CH3, S4N3N (SO2CF3) SO2Cl and S4N3N (SO2CF3) SO2F, They are yellow solids which decompose when heated below the melting point. The compounds are formed in nearly quantitative yield and have been characterized by elemental analysis, nmr and electronic spectra.
The title compound N,N-bis(trimethylstannyl)trifluoromethanesulfonamide (1) reacts with S2Cl2, SOCl2 and SO2Cl2 in a molar ratio 2:1 to yield the compounds S2Cl2 a twelve-membered ring 6. These are the largest neutral sulfur-nitrogen rings of coordination number two at the sulfur atoms known to date. 3 reacts with SOCI2 under migration of a methyl group from the tin to a sulfur atom to yield CF3SO2(R3Sn)NS(CH3)NSO2CF3 (7). 2,2,4,4-Tetramethyl-1,3-bis(trifluormethylsulfonyl)cyclodisilazan and 7 are formed by the reaction of 3 with R2SiCl2- The analogous four-membered germanium compound 8 is obtained from 1 and R2GeCl2. While the pyrolysis of 1 yields only the six-membered cyclotristannazan 9, the six-membered germanium analog is only formed in minor amounts. By treating 9 with R3SiCl the ring is decomposed to give 10. A six-membered ring is formed from the reaction of 1 with ClR2SiOSiR2Cl 11. The structure of 6 is discussed in detail. 6 crystallizes in the monoclinic space group C2/c with a = 24.408(5), b = 7.377(2), c = 16.715(3) Å, β = 117.16(3)° and Z = 4. It has a chair conformation which is different from the isoelectronic S12-structure.
The kinetically stable triazatriphosphorinyl and tetraazatetra-phosphorocinyl azides 3 and 4 are prepared from the corresponding chlorides 1, 2 with sodium azide. 3 and 4 react with phosphanes to yield the λ5 -diphosphazenes 5a-d. By the reaction of 1 or 2 with KCN the nitriles 6 and 7 are formed. -The new compounds are characterized on the basis of IR and mass spectra.
N-Sulfonylsulfimide
(1978)
(CF3SO2NSO2)2 (1), a compound with a four-membered ring, was prepared from CF3SO2NSO and SO3. 1 as well as (FSO2NSO2)2 form 1:1 adducts with S4N4 , pyridine and pyridine carbonitrile-4 (2a-2f). By comparison with FSO2NCOS4N4 it was shown that a dipolar type of addition had occured. In contrast the reaction of 1 and (FSO2NSO2)2 with aromatic nitriles yields 1:2 cycloaddition products (3a-3g) which were characterized on the basis of mass spectra. The six-membered rings of 4a-4b which contain carbon, nitrogen and sulfur atoms were obtained from the reaction of isocyanates with (FSO2NSO2)2 or (CF3SO2NSO2)2. 4-BrC6H4NCO and SO3 react in a similar way to yield 5. The starting materials are extremely sensitive to moisture while most of the adducts can be handled in open air without decomposition.
Über Reaktionen von 3-trifluormethylphenylsubstituierten silicium-und zinnorganischen Verbindungen
(1978)
Several routes were investigated for the preparation of 3-CF3C6H4N[Si(CH3)3]2 2 and 3-CF3C6H4N[Sn(CH3)3]2 3. The latter compound reacts with 3-CF3C6H4NCO to yield [3-CF3C6H4(CH3)3SnN]2CO 4. A substituted urea 5 is also formed from [(CH3)3Si]2NCH3 and 3-CF3C6H4NCO. 5 is used for the preparation of cyclic compounds, with S2Cl2 the ten-membered ring (3-CF3C6H4NCONCH3S2)2 6 is formed. 5 and HN(SO2Cl)2 yield the six-membered ring 3-CF3C6H4NCONCH3(SO2)2NH 7. SeOCl2 and 5 react under formation of a spiro compound (S-CF3C6H4NCONCH3)2Se 8. The compounds were characterized on the basis of mass and 19F NMR spectra.
Two routes for the preparation of (CH3)2SnS2N2 are given, which are kinetically controlled reactions. The molecule (CH3)2SnS2N2 was characterized by X-ray analysis. It is an interesting starting material for the preparation of S2N2CO and S3N2O. The latter reacts with iminosulfur oxides and isocyanates under the formation of S3N3SO2F and S3N3SO2CF3. The structure of S3N3SO2F was established by X-ray analysis. The bonding properties are discussed.
The cleavage of thin-nitrogen derivatives with S3N2Cl2 yields also five membered sulfurnitrogen rings. The structure and properties of P3N3F5NS3N2 and C3N3F2NS3N2 are reported. Six, eight and ten membered rings are formed by the reactions of (CH3)3Si–N = S = N–Si (CH3)3 with FSO2–N=S=O, these are S4N4O2 and S5N5+S3N3O4, respectively. The cation S5N5+ is a planar molecule, while the oxygen containing species are puckered. In S4N4O2 the oxygens are attached to one sulfur atom, which has a tetrahedral configuration.
The structure of the silicon containing cyclic and bicyclic rings (CH3)2Si(NSN)2Si(CH3)2 and CH3Si(NSN)3SiCH3 were determined.
The asymmetric unit of the title compound, C16H23ClN2O, comtains two independent molecules in which the fused-ring systems are essentially planar, the largest deviation from the mean plane of each molecule being 0.011 (2) Å and 0.016 (2) Å. The benzimidazole rings of the two molecules make a dihedral angle of 66.65 (7)°. The nonyl substituents are almost perpendicular to the benzimidazole planes [C—N—C—C tosrsion angles = 96.0 (3) and 81.0 (2)°]. In the crystal, each independent molecule forms an inversion dimer via a pair of N—H[cdots, three dots, centered]O hydrogen bonds. In one of the independent molecules, the terminal –CH2–CH3 group of the alkyl chain is disordered over two sets of sites with a refined occupancy ratio of 0.746 (7):0.254 (7).
In the molecular structure of the title compound, C21H18N2O, the fused-ring system is essentially planar, the largest deviation from the mean plane being 0.0121 (9) Å. The O atom and adjacent C atom are located in Wyckoff position 4e on a twofold axis (0, y, 1/4). The two benzyl groups are almost perpendicular to the benzimidazole plane, but point in opposite directions. The dihedral angle between the benzimidazole mean plane and the phenyl ring is 81.95 (5)°, whereas that between the two benzyl groups is 60.96 (7)°.
Structural and vibrational studies have been carried out for the most stable conformer of 3,3′-ethane-1,2-diyl-bis-1,3,5-triazabicyclo[3.2.1]octane (ETABOC) at the DFT/B3LYP/6-31G(dp) level using the Gaussian 03 software. In light of the computed vibrational parameters, the observed IR Bolhmann bands for the C2V, C2, and Ci symmetrical structures of ETABOC have been analyzed. Hyperconjugative interaction was done by Natural Bond Orbital Analysis. Interpretation of hyperconjugative interaction involving the lone pairs on the bridgehead nitrogen atoms with the neighboring C–N and C–C bonds defines the conformational preference of the title compound. The recorded X-ray diffraction bond parameters were compared with theoretical values calculated at B3LYP/6-31G(d,p) and HF/6-31G(d,p) level of theory showed that ETABOC adopts a chair conformation and possesses an inversion center.
The structure of the 1:2 co-crystalline adduct C8H16N4·2C6H5BrO, (I), from the solid-state reaction of 1,3,6,8-tetraazatricyclo[4.4.1.13,8]dodecane (TATD) and 4-bromophenol, has been determined. The asymmetric unit of the title co-crystalline adduct comprises a half molecule of aminal cage polyamine plus a 4-bromophenol molecule. A twofold rotation axis generates the other half of the adduct. The primary inter-species association in the title compound is through two intermolecular O—H⋯N hydrogen bonds. In the crystal, the adducts are linked by weak non-conventional C—H⋯O and C—H⋯Br hydrogen bonds, giving a two-dimensional supramolecular structure parallel to the bc plane.
The title co-crystal, 1,3,5,7-tetraazatricyclo[3.3.1.13,7]decane (HMTA, 1)–4-fluorophenol (4-FP) (1/1), C6H12N4·C6H5FO, shows an unusual asymmetric unit that comprises eight independent molecules (Z′′ = 8), four for each component, with four formula units per asymmetric unit (Z′ = 4). In the molecular packing, each HMTA molecule bridges one 4-FP molecule via an O−H···N hydrogen bond to form a two-molecule aggregate. Differences can be observed between the bond lengths and angles of the independent HMTA and 4-FP molecules and those of the molecules in the aggregate. The C−N bonds exhibit different bond lengths in the tetrahedral cage-like structure of the HMTA molecules, but the largest differences between the molecular aggregates are in the bond lengths in the 4-fluorophenol ring. In the crystal, the HMTA and 4-FP molecules form two hydrogen-bonded (O−H···N, C−H···F and C−H···O) dimers of HMTA and 4-FP molecules, A···D and B···C inversion dimers, which generate enlarged R88(34) ring motifs in both supramolecular structures. In both structures, the crystal packing also features additional C−H···F and C−H···O interactions. The A···D and B···C dimers are linked by additional C−H···F and C−H···O hydrogen bonds, forming columns along the a and b axes, respectively. The importance of the C−H···F interaction to the structure and crystal packing has been demonstrated.
Synthesis and crystal structure of 2-(2-hydroxyphenyl)-1,3-bis(4-methoxybenzyl)-1,3-diazinan-5-ol
(2022)
The redetermined structure of 2-(2-hydroxyphenyl)-1,3-bis(4-methoxybenzyl)-1,3-diazinan-5-ol, C26H30N2O4, at 173 K has orthorhombic (Pbca) symmetry. It was previously described by Bolte et al. [ Private Communication (refcode EWICEV). CCDC, Cambridge, England]. The title compound resulted from the condensation reaction between 1,3-bis{[(4-methoxyphenyl)methyl]amino}propan-2-ol and 2-hydroxybenzaldehyde in CH3OH. The structure exhibits disorder. One of the 4-methoxybenzyl groups, the hydroxy group bonded to the 1,3-diazinan ring, and the methyl group of the methoxy residue are disordered over two orientations, with occupancies of 0.807 (3)/0.193 (3), 0.642 (5)/0.358 (5), and 0.82 (4)/0.18 (4), respectively. The dihedral angles between the mean planes of the central 1,3-diazinan-5-ol and the 4-methoxyphenyl rings (both occupancy components of the disordered ring) are 88.65 (13), 85.79 (14) and 83.4 (7)°. The crystal packing is sustained by C—H...O and O—H...π interactions, giving rise to infinite chains running along the b-axis direction.
The title compound, C8H16N4·2C11H16O, was synthesized from the corresponding sterically crowded phenol by treatment with the aminal cage polyamine. Single-crystal X-ray diffraction structural analysis revealed the three-molecule aggregate to crystallize in the monoclinic space group P2/c with one half of a 1,3,6,8-tetraaztricyclo[4.4.1.13,8]dodecane (TATD) molecule and one 2-tert-butyl-4-methylphenol molecule per asymmetric unit. The crystal structure features intermolecular O—H...N and C—H...O hydrogen bonds, as well as intermolecular C—H...π interactions.
The structure of the title compound, C8H16N4, which consists of four fused seven-membered rings, has been redetermined at 173 K. This redetermination corrects the orientation of two H atoms, which were located at unrealistic positions in the original room-temperature study [Murray-Rust (1974[Murray-Rust, P. (1974). J. Chem. Soc. Perkin Trans. 2, pp. 1136-1141.]). J. Chem. Soc. Perkin Trans. 2, pp. 1136–1141]. The complete molecule is generated by -42m symmetry, with one quarter of a molecule [one N atom (site symmetry m), two C atoms (one with site symmetry m and the other with site symmetry 2) and two H atoms] in the asymmetric unit. No directional interactions beyond van der Waals contacts are apparent in the crystal structure.
Solvent-free treatment of 1,3,6,8-tetraazatricyclo[4.3.1.13,8]undecano (TATU) with 4-chloro-3,5-dimethylphenol led to the formation of the title co-crystal, C7H14N4·2C8H9ClO. The asymmetric unit contains one aminal cage molecule and two phenol molecules linked via two O-H...N hydrogen bonds. In the aminal cage, the N-CH2-CH2-N unit is slightly distorted from a syn periplanar geometry. Aromatic [pi]-[pi] stacking between the benzene rings from two different neighbouring phenol molecules [centroid-centroid distance = 4.0570 (11) Å] consolidates the crystal packing.
In the title compound, C23H19NO2, an oxazine Mannich base derivative, the oxazine ring has a half-chair conformation. The 2-hydroxynaphthalen-1-yl substituent is placed in an axial position. There is an intramolecular O-H...N hydrogen bond, forming an S(6) graph-set motif. In the crystal, molecules are connected by a pair of C-H...[pi] interactions into an inversion dimer, which is reinforced by another pair of weak C-H...[pi] interactions. The dimers are linked by a [pi]-[pi] interaction [centroid-centroid distance = 3.6268 (17) Å], consolidating a column along the a axis. Furthermore, the columns interact with each other by a weak C-H...[pi] interaction, generating a three-dimensional network.
In the crystal of the title co-crystalline adduct, C8H16N4·C8H9ClO, (I), prepared by solid-state reaction, the molecules are linked by intermolecular O—H⋯N hydrogen bonds, forming a D motif. The azaadamantane structure in (I) is slightly distorted, with N—CH2—CH2—N torsion angles of 10.4 (3) and −9.0 (3)°. These values differ slightly from the corresponding torsion angles in the free aminal cage (0.0°) and in related co-crystalline adducts, which are not far from a planar geometry and consistent with a D2d molecular symmetry in the tetraazatricyclo structure. The structures also differ in that there is a slight elongation of the N—C bond lengths about the N atom that accepts the hydrogen bond in (I) compared with the other N—C bond lengths. In the crystal, the two molecules are not only linked by a classical O—H⋯N hydrogen bond but are further connected by weak C—H⋯π interactions, forming a two-dimensional supramolecular network parallel to the bc plane.
The asymmetric unit of the title co-crystalline adduct, 1,3,6,8-tetraazatricyclo[4.4.1.13,8]dodecane (TATD)–4-iodophenol (1/2), C8H16N4·2C6H5IO, comprises a half molecule of the aminal cage polyamine plus a 4-iodophenol molecule. A twofold rotation axis generates the other half of the adduct. The components are linked by two intermolecular O—H⋯N hydrogen bonds. The adducts are further linked into a three-dimensional framework structure by a combination of N⋯I halogen bonds and weak non-conventional C—H⋯O and C—H⋯I hydrogen bonds.
The synthesis and single crystal structure of a new cocrystal, which is composed of OHphenolic∙∙∙OHphenolic∙∙∙Naminalic supramolecular heterosynthons assembled from 4-tert-butylphenol and the macrocyclic aminal TATU, is presented. This cocrystal was prepared by solvent-free assisted grinding, which is a commonly used mechanochemical method. Crystal structure, supramolecular assembly through hydrogen bonding interactions as well as the physical and spectroscopic properties of the title cocrystal are presented in this paper.
The title benzoxazine molecule, C18H18Br2N2O2, was prepared by a Mannich-type reaction of 4-bromophenol with ethane-1,2-diamine and formaldehyde. The title compound crystallizes in the monoclinic space group C2/c with a centre of inversion located at the mid-point of the C-C bond of the central CH2CH2 spacer. The oxazinic ring adopts a half-chair conformation. The structure is compared to those of other functionalized benzoxazines synthesized in our laboratory. In the crystal, weak C-H...Br and C-H...O hydrogen bonds stack the molecules along the b-axis direction.
The title fluorinated bisbenzoxazine, C18H18F2N2O2, crystallizes with one half-molecule in the asymmetric unit, which is completed by inversion symmetry. The fused oxazine ring adopts an approximately half-chair conformation. The two benzoxazine rings are oriented anti to one another around the central C-C bond. The dominant intermolecular interaction in the crystal structure is a C-H...F hydrogen bond between the F atoms and the axial H atoms of the OCH2N methylene group in the oxazine rings of neighbouring molecules. C-H...[pi] contacts further stabilize the crystal packing.
The crystal structure of the title compound, C25H24N2O2, at 173 K has monoclinic (C2/c) symmetry. The molecule is located on a crystallographic twofold rotation axis with only half a molecule in the asymmetric unit. The imidazolidine ring adopts a twist conformation, with a twist about the ring C—C bond. The crystal structure shows the anticlinal disposition of the two (2-hydroxynaphthalen-1-yl)methyl substituents of the imidazolidine ring. The structure displays two intramolecular O—H⋯N hydrogen bonds, each forming an S(6) ring motif.
The asymmetric unit of the title compound, C18H18I2N2O2, consists of one half-molecule, completed by the application of inversion symmetry. The molecule adopts the typical structure for this class of bis-benxozazines, characterized by an anti orientation of the two benzoxazine rings around the central C—C bond. The oxazinic ring adopts a half-chair conformation. In the crystal, molecules are linked by C—I⋯N short contacts [I⋯N = 3.378 (2) Å], generating layers lying parallel to the bc plane.
In the title compound, C7H14N4·2C6H5ClO, which crystallized with two crystallographically independent 4-chlorophenol molecules and one 1,3,6,8-tetraazatricyclo[4.3.1.13,8]undecane (TATU) molecule in the asymmetric unit, the independent components are linked by two O-H...N hydrogen bonds. The hydrogen-bond acceptor sites are two non-equivalent N atoms from the aminal cage structure, and the tricyclic system distorts by changing the C-N bond lengths. In the crystal, these hydrogen-bonded aggregates are linked into chains along the c axis by C-H...N hydrogen bonds. The crystal structure also features C-H...[pi] contacts.
The title compound, C23H32Cl2N2O2, a potential chiral ligand for coordination chemistry, was prepared by a two-step reaction. The molecule is located on a crystallographic centre of inversion. As a result, the methyl group bonded to the methylene group is disordered over two equally occupied positions, sharing the same site as the H atom of the chiral C atom. As a further consequence of the crystallographic centrosymmetry, the 1,2-diaminopropane unit adopts an antiperiplanar conformation and the two benzene rings are coplanar. The central chain is in an all-trans arrangement. An intramolecular O-H...N hydrogen bond makes an S(6) ring motif. A C-H...[pi] interaction links the molecules into one-dimensional chains along the [001] direction.
In the title ternary co-crystalline adduct, C7H14N4·2C6H5NO3, molecules are linked by two intermolecular O—H⋯N hydrogen bonds, forming a tricomponent aggregates in the asymmetric unit. The hydrogen-bond formation to one of the N atoms is enough to induce structural stereoelectronic effects in the normal donor→acceptor direction. In the title adduct, the two independent nitrophenol molecules are essentially planar, with maximum deviations of 0.0157 (13) and 0.0039 (13) Å. The dihedral angles between the planes of the nitro group and the attached benzene rings are 4.04 (17) and 5.79 (17)°. In the crystal, aggregates are connected by C—H⋯O hydrogen bonds, forming a supramolecular dimer enclosing an R66(32) ring motif. Additional C—H⋯O intermolecular hydrogen-bonding interactions form a second supramolecular inversion dimer with an R22(10) motif. These units are linked via C—H⋯O and C—H⋯N hydrogen bonds, forming a three-dimensional network.
The asymmetric unit of the title compound, C23H30N2O2, contains one half-mol-ecule, with a twofold axis splitting the mol-ecule in two identical halves. The structure of the racemic mixture has been reported previously [Rivera et al. (2009>) J. Chem. Crystallogr. 39, 827-830] but the enanti-omer reported here crystallized in the ortho-rhom-bic space group P21212 (Z = 2), whereas the racemate occurs in the triclinic space group P-1 (Z = 2). The observed mol-ecular conformation is stabilized by two intra-molecular O-H⋯N hydrogen bonds, which generate rings with graph-set motif S(6). In the crystal, mol-ecules are linked via non-classical C-H⋯O inter-actions, which stack the mol-ecules along the b axis.
In the title compound, C25H36N2O2, the two tert-butyl-substituted benzene rings are inclined at an angle of 53.5 (3)° to one another. The imidazolidine ring has an envelope conformation with with one of the C atoms of the ethylene fragment as the flap. The structure displays two intra-molecular O-H⋯N hydrogen bonds that generate S(6) ring motifs. The crystal studied was a non-merohedral twin with a fractional contribution of 0.281(6) for the minor domain.
The title compound, C21H26Cl2N2O2, was prepared in a solvent-free microwave-assisted synthesis, and crystallizes in the orthorhombic space group Pna21. The imidazolidine ring adopts an envelope conformation and its mean plane is almost perpendicular to the two pendant aromatic rings [dihedral angles = 84.61 (9) and 86.54 (9)°]. The molecular structure shows the presence of two intramolecular O—H⋯N hydrogen bonds between the phenolic hydroxy groups and imidazolidine N atoms. The two 3-chloro-6-hydroxy-2,4-dimethylbenzyl groups are located in a cis orientation with respect to the imidazolidine fragment. As a result, the lone pairs of electrons on the N atoms are presumed to be disposed in a syn conformation. This is therefore the first example of an exception to the `rabbit-ears' effect in such 2,2′-[imidazolidine-1,3-diylbis(methylene)]diphenol derivatives.
In the title compound, C19H24N2O2, a di-Mannich base derived from 2-methylphenol and 1,3,6,8-tetraazatricyclo[4.4.1.13,8]dodecane, the imidazolidine ring adopts a twist conformation, with a twist about the ring N—C bond [C—N—C—C torsion angle = −44.34 (14)°]. The two 2-hydroxy-3-methylbenzyl groups are located in trans positions with respect to the imidazolidine fragment. The structure displays two intramolecular O—H⋯N hydrogen bonds, which each form an S(6) ring motif. In the crystal, the molecules are linked by weak C—H⋯O interactions with a bifurcated acceptor, forming a three-dimensional network.
In the title compound, C17H18N2O, the central carbon atom with the OH substituent and one of the (E)-benzylideneamino substituents are disordered over two sets of sites with occupancies of 0.851 (4) and 0.149 (4). The relative positions of the two disorder components is equivalent to a rotation of approximately 60° about the C—N single bond. In the crystal, the molecules are held together by O—H...N hydrogen bonds, forming simple C(5) chains along the b-axis direction. In addition, pairs of the chains are further aggregated by weak C—H...π interactions.
The asymmetric unit of the title compound, C21H28N4O, consists of two unique molecules linked by an O—H⋯N hydrogen bond. The conformation of both C=N bonds is E and the azomethine functional groups lie close to the plane of their associated benzene rings in each of the independent molecules. The dihedral angles between the two benzene rings are 83.14 (4) and 75.45 (4)°. The plane of the one of the N(CH3)2 units is twisted away from the benzene ring by 18.8 (2)°, indicating loss of conjugation between the lone electron pair and the benzene ring. In the crystal structure, O—H⋯N hydrogen bonds together with C—H⋯O hydrogen bonds link neighbouring supramolecular dimers into a three-dimensional network.
Crystal structure of 1,3-bis(3-tert-butyl-2-hydroxy-5-methylbenzyl)-1,3-diazinan-5-ol monohydrate
(2016)
In the title hydrate, C28H42N2O3·H2O, the central 1,3-diazinan-5-ol ring adopts a chair conformation with the two benzyl substituents equatorial and the lone pairs of the N atoms axial. The dihedral angle between the aromatic rings is 19.68 (38)°. There are two intramolecular O-H...N hydrogen bonds, each generating an S(6) ring motif. In the crystal, classical O-H...O hydrogen bonds connect the 1,3-diazinane and water molecules into columns extending along the b axis. The crystal structure was refined as a two-component twin with a fractional contribution to the minor domain of 0.0922 (18).
The title Schiff base, C19H22N2O3, was synthesized via the condensation reaction of 1,3-diaminopropan-2-ol with 4-methoxybenzaldehyde using water as solvent. The molecule exists in an E,E conformation with respect to the C=N imine bonds and the dihedral angle between the aromatic rings is 37.25 (15)°. In the crystal, O-H...N hydrogen bonds link the molecules into infinite C(5) chains propagating along the a-axis direction. The packing of these chains is consolidated by C-H...O interactions and C-H...[pi] short contacts, forming a three-dimensional network.
The asymmetric unit of the title compound, C28H42N2O5·H2O, consists of one half of the organic molecule and one half-molecule of water, both of which are located on a mirror plane which passes through the central C atoms and the hydroxyl group of the heterocyclic system. The hydroxyl group at the central ring is disordered over two equally occupied positions. The six-membered ring adopts a chair conformation, and the 2-hydroxybenzyl substituents occupy the sterically preferred equatorial positions. The aromatic rings make dihedral angles of 75.57 (9)° with the mean plane of the heterocyclic ring. The dihedral angle between the two aromatic rings is 19.18 (10)°. The molecular structure features two intramolecular phenolic O-H...N hydrogen bonds with graph-set motif S(6). In the crystal, molecules are connected via O-H...O hydrogen bonds into zigzag chains running along the a-axis direction.
In the title solvate, C14H12N2O·0.5C6H6, the complete benzene molecule is generated by a crystallographic inversion centre. The dihedral angle between the planes of the benzimidazole moiety and the phenol substituent is 75.28 (3)°. In the crystal, O—H⋯N hydrogen bonds link the molecules into parallel chains propagating along [100]. The molecules are further connected by C—H⋯π interactions.
In the title compound, C26H24N2O2, the oxazine moiety is fused to a naphthalene ring system. The asymmetric unit consists of one half of the molecule, which lies about an inversion centre. The C atoms of the ethylene spacer group adopt an antiperiplanar arrangement. The oxazine ring adopts a half-chair conformation. In the crystal, supramolecular chains running along the b axis are formed via short C—H⋯π contacts. The crystal studied was a non-merohedral twin with a fractional contribution of 0.168 (2) of the minor twin component.
De novo fatty acid biosynthesis in humans is accomplished by a multidomain protein, the Type I fatty acid synthase (FAS). Although ubiquitously expressed in all tissues, fatty acid synthesis is not essential in normal healthy cells due to sufficient supply with fatty acids by the diet. However, FAS is overexpressed in cancer cells and correlates with tumor malignancy, which makes FAS an attractive selective therapeutic target in tumorigenesis. Herein, we present a crystal structure of the condensing part of murine FAS, highly homologous to human FAS, with octanoyl moieties covalently bound to the transferase (MAT—malonyl‐/acetyltransferase) and the condensation (KS—β‐ketoacyl synthase) domain. The MAT domain binds the octanoyl moiety in a novel (unique) conformation, which reflects the pronounced conformational dynamics of the substrate‐binding site responsible for the MAT substrate promiscuity. In contrast, the KS binding pocket just subtly adapts to the octanoyl moiety upon substrate binding. Besides the rigid domain structure, we found a positive cooperative effect in the substrate binding of the KS domain by a comprehensive enzyme kinetic study. These structural and mechanistic findings contribute significantly to our understanding of the mode of action of FAS and may guide future rational inhibitor designs.
Modularity is an aspect of a decomposable system with a coordinating authority that acts as a glue which holds the loosely held components. These multi-component entities (“modules”) facilitate rewiring into different designs allowing for change. Such modular character is a fundamental property of many biological entities, especially the family of megasynthases such as polyketide synthases (PKSs). The ability of these PKSs to produce diverse product spectra is strongly coupled to their broad architectural modularity. Decoding the molecular basis of modularity, i.e. identifying the folds and domains that comprise the modules as well as understanding constrains of the assembly of modules, is of utmost importance for harnessing megasynthases for the synthesis of designer compounds. In this study, we exploit the close semblance between PKSs and animal FAS to re-engineer animal FAS to probe the modularity of the FAS/PKS family. Guided by structural and sequence information, we truncate and dissect animal FAS into its components, and reassemble them to generate new PKS-like modules as well as bimodular constructs. The novel engineered modules resemble all four common module types of PKSs and demonstrate that this approach can be a powerful tool to create higher catalytic efficiency. Our data exemplify the inherent plasticity and robustness of the overall FAS/PKS fold, and open new avenues to explore FAS-based biosynthetic pathways for custom compound design.
In prokaryotes, RNA thermometers regulate a number of heat shock and virulence genes. These temperature sensitive RNA elements are usually located in the 5'-untranslated regions of the regulated genes. They repress translation initiation by base pairing to the Shine–Dalgarno sequence at low temperatures. We investigated the thermodynamic stability of the temperature labile hairpin 2 of the Salmonella fourU RNA thermometer over a broad temperature range and determined free energy, enthalpy and entropy values for the base-pair opening of individual nucleobases by measuring the temperature dependence of the imino proton exchange rates via NMR spectroscopy. Exchange rates were analyzed for the wild-type (wt) RNA and the A8C mutant. The wt RNA was found to be stabilized by the extraordinarily stable G14–C25 base pair. The mismatch base pair in the wt RNA thermometer (A8–G31) is responsible for the smaller cooperativity of the unfolding transition in the wt RNA. Enthalpy and entropy values for the base-pair opening events exhibit linear correlation for both RNAs. The slopes of these correlations coincide with the melting points of the RNAs determined by CD spectroscopy. RNA unfolding occurs at a temperature where all nucleobases have equal thermodynamic stabilities. Our results are in agreement with a consecutive zipper-type unfolding mechanism in which the stacking interaction is responsible for the observed cooperativity. Furthermore, remote effects of the A8C mutation affecting the stability of nucleobase G14 could be identified. According to our analysis we deduce that this effect is most probably transduced via the hydration shell of the RNA.
Die Genexpression in prokaryotischen Organismen unterliegt einer Vielzahl von Regulationsmechanismen, deren Aufgabe darin besteht, die Zelle an sich ändernde Umweltbedingungen anzupassen, um so das Überleben des prokaryotischen Organismus zu gewährleisten. Eine Reihe von Hitzeschock- und Virulenzgenen unterliegen temperaturabhängiger Regulation, mit dem Ziel, die Zelle an die sich ändernde Umgebung anzupassen. Die Messung der Temperatur erfolgt dabei über temperatursensitive RNA-Elemente, sogenannte RNA-Thermometer, die sich üblicherweise in der 5’-untranslatierten Region der Gene befinden, die sie regulieren. Sie unterdrücken die Translationsinitiation, indem sie die Shine-Dalgarno (SD)-Sequenz bei niedrigen Temperaturen über Basenpaarung blockieren und dadurch die Bindung des Ribosoms verhindern. In Kapitel 2 der vorliegenden Arbeit wurde die thermodynamische Stabilität der temperatursensitiven Haarnadelschleife 2 des Salmonella FourU RNA-Thermometers über einen breiten Temperaturbereich analysiert. Freie Enthalpie-, Enthalpie- und Entropie-Werte für die Basenpaaröffnung der einzelnen Nukleobasen innerhalb der RNA wurden über die temperaturabhängige Messung von Iminoprotonen-Austauschraten mittels NMR-Spektroskopie bestimmt. Die Austauschraten wurden für die Wildtyp-RNA und die A8C-Mutante bestimmt und miteinander verglichen. Es zeigte sich, dass die Wildtyp-RNA durch das außergewöhnlich stabile Basenpaar G14-C25 stabilisiert wird. Dies konnte durch die Untersuchung der Entfaltung der destabilisierenden G14A-C25U-Doppelmutante verifiziert werden. Über CD-spektroskopsiche Untersuchungen konnte der globale Entfaltungsübergang der jeweiligen RNA analysiert werden. Das Mismatch-Basenpaar innerhalb des Wildtyp-RNA-Thermometers (A8-G31) erwies sich als Ursache für die geringere Kooperativität des Entfaltungsübergangs der Wildtyp-RNA im Vergleich zur A8C-Mutante. Enthalpie- und Entropie-Werte für die Basenpaaröffnung einzelner Nukleotide sind für beide RNAs linear korreliert. Die Steigungen dieser Korrelationen stimmen mit den Schmelzpunkten der RNAs überein, die über CD-Spektroskopie bestimmt wurden. Entfaltung der RNA tritt also genau dann auf, wenn alle Nukleotide gleiche thermodynamische Stabilitäten besitzen. Die Resultate sind mit einem Reißverschluss-Mechanismus für die RNA-Helix Entfaltung konsistent und erklärbar, in dem die Stapelinteraktionen der benachbarten Nukleobasen innerhalb der RNA-Helix verantwortlich für die beobachtete Kooperativität sind. Die Ergebnisse weisen auch auf die Wichtigkeit der RNA-Lösungsmittel-Interaktion für die Stabilität der RNA-Struktur hin. So konnten langreichweitige Wechselwirkungen der A8C-Mutation auf die Stabilität der G14-Nukleobase identifiziert werden, die möglicherweise über die Hydrathülle der RNA vermittelt werden. Schließlich konnte für das FourU-Motiv eine Mg2+-Bindestelle identifiziert werden, die die temperaturabhängige Stabilität des RNA-Thermometers beeinflusst. Es besteht also die Möglichkeit, dass Änderungen der intrazellulären Mg2+-Konzentration die Expression des agsA-Gens in vivo modulierend beeinflussen. In Kapitel 3 dieser Arbeit wurden die dynamischen Eigenschaften des Phosphodiesterrückgrats einer perdeuterierten cUUCGg-Tetraloop-14mer-RNA untersucht. Dazu wurden die Relaxationseigenschaften aller 31P-Kerne dieser RNA bei magnetischen Feldstärken von 300, 600 und 900 MHz untersucht. Dipolare Relaxationsbeiträge konnten unterdrückt werden, indem eine perdeuterierte RNA-Probe in einem D2O-Puffer verwendet wurde. Um die 31P-Relaxationsdaten (R1, R2) interpretieren zu können, wurde zusätzlich mittels Festkörper-NMR die Chemische Verschiebungsanisotropie (CSA) der 31P-Kerne des Phosphodiesterrückgrats bestimmt. Die Messungen wurden bei verschiedenen Salzkonzentrationen und unter unterschiedlichen Hydratationsbedingungen durchgeführt. Aus den Daten konnte ein 31P-CSA-Wert von 178.5 ppm im statischen Zustand (S2 = 1) bestimmt werden. Auf der Grundlage der durchgeführten R1- und R2-Messungen wurde eine Modelfree-Analyse durchgeführt, um Informationen über die schnellen Dynamiken des Phosphodiesterrückgrats zu erhalten. Die Resultate zeigen, dass die Dynamiken des Phosphodiesterrückgrats auf der Subnanosekundenzeitskala stärker ausgeprägt sind als die Dynamiken der Ribofuranosylreste und der Nukleobasen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Dynamik einer individuellen Phosphatgruppe zu der jeweiligen 5’-benachbarten Nukleobase korreliert ist. In Kapitel 4 dieser Arbeit wird die Entwicklung neuer Methoden beschrieben, mit denen Torsionswinkelinformation aus der Analyse kreuzkorrelierter Relaxationsraten gewonnen werden können. Im ersten Teil des Kapitels wird die Entwicklung einer neuen NMR-Pulssequenz beschrieben, über die der glykosidische Torsionswinkel Chi in 13C,15N-markierten Oligonukleotiden bestimmt werden kann. Mit dem neuen quantitativen Gamma-HCNCH-Experiment ist es möglich, die dipolaren kreuzkorrelierten Relaxationsraten Gamma-C6H6-C1´H1´ (Pyrimidine) und Gamma-C6H6-C1´H1´ (Purine) zu messen. Die kreuzkorrelierten Relaxationsraten wurden an einer 13C,15N-markierten cUUCGg-Tetraloop-14mer-RNA bestimmt. Die aus den Raten extrahierten Chi-Winkel wurden mit bereits vorhandener Strukturinformation verglichen. Sie stimmen bemerkenswert gut mit den Winkeln der Kristallstruktur des Tetraloops überein. Zusätzlich wurde die neue Methode an einer größeren 30mer-RNA, dem „Stemloop D“ (SLD) aus dem Coxsackievirus-B3-Kleeblatt, getestet. Für die SLD-RNA wurde der Effekt von anisotroper Rotationsdiffusion auf die Relaxationsraten untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Chi-Winkelbestimmung besonders für Nukleotide in der anti-Konformation sehr genau ist und die Methode eine eindeutige Unterscheidung von syn- und anti-Konformation zulässt. Im zweiten Teil von Kapitel 4 wird die Entwicklung des Gamma-HCCCH-Experiments beschrieben. Hierbei handelt es sich um eine neue NMR-Pulssequenz zur Messung der Gamma-C1´H1´-C3´H3´-Rate in 13C-markierten RNAs. Die Funktionsfähigkeit der neuen Methode wurde an einer cUUCGg-Tetraloop-14mer-RNA demonstriert. Zusätzlich dazu wurden die analytischen Gamma-C1´H1´-C3´H3´(P,nü_max)-, Gamma-C1´H1´-C4´H4´(P,nü_max)- und Gamma-C2´H2´-C4´H4´(P,nü_max)-Abhängigkeiten mathematisch hergeleitet. Die an der 14mer-RNA gemessenen Gamma-C1´H1´-C3´H3´-Raten wurden mit Hilfe der Gamma-C1´H1´-C3´H3´(P,nü_max)-Beziehung analysiert. Die Ergebnisse für die Pseudorotationsphase P sind konsistent mit Referenzwinkeln aus der 14mer-NMR-Struktur und den bereits bekannten (Gamma-C1´H1´-C2´H2´)/(Gamma-C3´H3´-C4´H4´)-Ratenverhältnissen. Die neue Methode liefert zusätzliche Informationen, um Konformation (P, nü_max) und Dynamik S2(C1´H1´-C3´H3´) der Ribosereste in RNA-Molekülen genauer beschreiben zu können. In Kapitel 5 dieser Arbeit wird die Entwicklung des 3D-HNHC-Experiments, einer neuen NMR-Pulssequenz, beschrieben. Dieses Experiment ermöglicht es, die H2-, C2- und N1-Resonanzen in Adenin-Nukleobasen 13C, 15N-markierter RNA-Oligonukleotide miteinander zu korrelieren. Die Funktionsfähigkeit der neuen Methode wurde an einer mittelgroßen, entsprechend markierten 36mer-RNA demonstriert. Die neue Methode vereinfacht die Zuordnung der Kerne der Adenin-Nukleobasen, da Zuordnungsmehrdeutigkeiten aufgrund überlappender Resonanzen in der 1H-Dimension aufgelöst werden können. In Kombination mit dem TROSY-relayed-HCCH-COSY-Experiment liefert das neue 3D-HNHC-Experiment das fehlende Glied für die Zuordnung der Imino-H3-Resonanzen der Uracil-Nukleobasen über das AU-Basenpaar hinweg zu den H8-Resonanzen der Adenin-Nukleobasen.
We present here a set of 13C-direct detected NMR experiments to facilitate the resonance assignment of RNA oligonucleotides. Three experiments have been developed: (1) the (H)CC-TOCSY-experiment utilizing a virtual decoupling scheme to assign the intraresidual ribose 13C-spins, (2) the (H)CPC-experiment that correlates each phosphorus with the C40 nuclei of adjacent nucleotides via J(C,P) couplings and (3) the (H)CPC-CCH-TOCSY-experiment that correlates the phosphorus nuclei with the respective C10,H10 ribose signals. The experiments were applied to two RNA hairpin structures. The current set of 13C-direct detected experiments allows direct and unambiguous assignment of the majority of the hetero nuclei and the identification of the individual ribose moieties following their sequential assignment. Thus, 13C-direct detected NMR methods constitute useful complements to the conventional 1H-detected approach for the resonance assignment of oligonucleotides that is often hindered by the limited chemical shift dispersion. The developed methods can also be applied to large deuterated RNAs. Keywords: NMR spectroscopy , Direct carbon , detection , RNA
The respiratory chain is composed of protein complexes residing in the inner mitochondrial membrane of eukaryotes or in the cytoplasmic membrane of prokaryotes. This cellular energy converter transforms a redox potential stored in low potential substrates into an electrochemical potential across the respective membrane. Typical respiratory chains contain the complexes I, II, III and IV named according to their sequence in the respiratory chain reaction. Electrons of low potential substrates enter at complex I or II and are passed via complex III to complex IV where they are transferred to oxygen. The transport of electrons between the complexes is mediated by small electron shuttles like quinol or cytochrome c. Two different models describe their exchange either by (1) random collision of freely diffusible electron shuttles and membrane protein complexes or (2) arrangement of the complexes in supercomplexes enabling direct channeling of electron shuttles. In the Gram positive bacterium Corynebacterium glutamicum, the complex III to complex IV electron shuttle cytochrome c is not diffusible but a covalently bound part of the diheme cytochrome subunit QcrC of complex III. Therefore, the complexes III and IV have to form a supercomplex for electron transduction. The aim of this thesis was to purify and characterise this obligatory supercomplex III/IV of C. glutamicum. To gain sufficient biomass of C. glutamicum as starting material for purification, a phosphate buffered minimal medium was developed that enabled yield of total 120 g wet cell mass (38 g dry mass) in 12 L (6×2 L) shaking cultures. The determined conversion factor of glucose into biomass was 0.46 g/g indicating an intact respiratory chain. The yield was increased by bioreactor cultivation to ~690 g wet cell mass (~220 g dry mass) in ~10 L culture volume. A previously described homologous expression system was applied that produces the complex IV subunit CtaD with a fused Strep-tag II to facilitate purification. Affinity purifications using the Strep-tag II affinity to Strep-Tactin resin yielded a mixture of complexes and supercomplexes. Two supercomplex III/IV versions named supercomplex A and B and free complex IV were identified in this mixture by size exclusion chromatography, redox difference spectroscopy and two dimensional polyacrylamide gel electrophoresis including blue native polyacrylamide electrophoresis. The here presented downscaled blue native polyacrylamide electrophoresis method with analysis times of ~1 h enabled efficient screening of factors influencing the stability of supercomplex III/IV. The screening resulted that the integrity of supercomplex III/IV is preserved by using neutral detergents at minimal detergent to protein ratios for solubilisation and low detergent concentrations for purification and storage slightly above the required critical micellar concentration. Furthermore, pH <=7.5 is required for stability of supercomplex III/IV. Large biomass yields enabled upscaling of supercomplex III/IV affinity purification. Application of the identified stability conditions resulted in affinity purified samples free of supercomplex B. The major component supercomplex A was efficiently separated from residual free complex IV by preparative size exclusion chromatography. Concentration of purified supercomplex A by ultracentrifugation resulted in integrity of the supercomplex for several days at 4 °C. Purified supercomplex A contains ten different previously described subunits. The heme content of supercomplex A relative to the protein mass is heme A: 6.0 μmol/g, heme B: 6.5 μmol/g, and heme C: 5.8 μmol/g determined by redox difference spectroscopy and biochemical protein quantification. This indicates an equimolar ratio of complex III and complex IV in supercomplex A. Supercomplex A has quinol oxidase activity that is inhibited by stigmatellin or sodium azide. The turnover number of transferred electrons per complex III monomer is 148 s−1 at 25° C. The homogeneity and stability of the prepared supercomplex A enabled the growth of threedimensional crystals of up to 0.1 mm in length. Their composition of supercomplex A was verified by redox difference spectroscopy of intact crystals and blue native polyacrylamide electrophoresis of dissolved crystals. The crystals diffracted X-rays corresponding to a resolution of ~10 Å. Electron microscopy of negative stained samples revealed the uniform shape of purified supercomplex A particles with dimensions of 22 × 9 nm in the view plane. Combined heme quantification, size determination, determined activity, symmetry considerations, and particle shape indicate that supercomplex A has a central dimer of complex III and two monomers of complex IV on opposite sides. This conformation is functionally reasonable because it provides each complex III monomer with one complex IV monomer as electron acceptor. Therefore, the stoichiometry of supercomplex A is most likely III2IV2. The sensitivity of supercomplex A to detergents indicated a role of phospholipids in its stability. Therefore, a method for phospholipid identification and quantification was developed that is suitable for detergent solubilised crude and purified membrane protein samples. The analysis combines separation of phospholipid classes according to their head group by normal phase high performance liquid chromatography with evaporative light scattering detection. Calibration with external standard allows quantification of phospholipid amount in the range of 0.25-12 μg. The method is verified by analysing the phospholipid content of the well characterised complex III of Saccharomyces cerevisiae. The reduction of its phospholipid content during its purification steps is monitored. The complex III sample purified to crystallisation quality contains the phospholipid content that was also observed in previously reported structures determined by X-ray crystallography. Purified stable supercomplex A from C. glutamicum revealed a large content of bound phospholipids. The main differences between intact supercomplex A and a mixture of potentially disintegrated smaller complexes is that intact supercomplex A has a doubled phosphatidic acid content and an increased phosphatidyl glycerol content. The importance of the small anionic phosphatidic acid for mediation of contacts between complexes in a supercomplex is discussed. The total phospholipid content of stable supercomplex A is sufficient for a complete belt surrounding the supercomplex in the membrane plane. This indicates that also all essential internal phospholipid binding positions are occupied and potentially stabilise supercomplex A.
The conditionally-lethal pso4-1 mutant allele of the spliceosomal-associated PRP19 gene allowed us to study this gene’s influence on pre-mRNA processing, DNA repair and sporulation. Phenotypes related to intron-containing genes were correlated to temperature. Splicing reporter systems and RT–PCR showed splicing efficiency in pso4-1 to be inversely correlated to growth temperature. A single amino acid substitution, replacing leucine with serine, was identified within the N-terminal region of the pso4-1 allele and was shown to affect the interacting properties of Pso4-1p. Amongst 24 interacting clones isolated in a two-hybrid screening, seven could be identified as parts of the RAD2, RLF2 and DBR1 genes. RAD2 encodes an endonuclease indispensable for nucleotide excision repair (NER), RLF2 encodes the major subunit of the chromatin assembly factor I, whose deletion results in sensitivity to UVC radiation, while DBR1 encodes the lariat RNA splicing debranching enzyme, which degrades intron lariat structures during splicing. Characterization of mutagen-sensitive phenotypes of rad2{Delta}, rlf2{Delta} and pso4-1 single and double mutant strains showed enhanced sensitivity for the rad2{Delta} pso4-1 and rlf2{Delta} pso4-1 double mutants, suggesting a functional interference of these proteins in DNA repair processes in Saccharomyces cerevisiae.
Functional dynamics of ribonucleic acids : development and application of spectroscopic tools
(2016)
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wird der Aufbau eines zeitaufgelösten Fluorimeters, die photophysikalische Grundcharakterisierung der drei 2-(Pyrenylethinyl)-Adenosine (PyAs) und das Wechselwirkungsgeflecht des tetracyclinbindenden Aptamers (TC-Aptamer) mit seinem Liganden Tetracycyclin (TC) und Mg2+ dargestellt.
Das zeitaufgelöste Fluorimeter basiert auf der experimentellen Technik des zeitkorrelierten Einzelphotonenzählens. Es verfügt über zwei Anregungsquellen: gepulste UV-LEDs und einen frequenzverdoppelten titandotierten Saphirlaser. Diese Quellen Decken einen Wellenlängenbereich von (310 - 550) nm ab. Das Spektrometer kann unter günstigen Umständen eine Zeitauflösung von 50 ps erreichen bei einer zeitlichen Messungenauigkeit von weniger als 0,02 %.
Die Leistungsfähigkeit des Aufbaus wird anhand einer umfangreichen Studie an den drei PyAs demonstriert.
Die drei PyAs 2-(1-Pyrenylethinyl)-Adenosine (1PyA), 2-(2-Pyrenylethinyl)-Adenosine (2PyA) und 2-(4-Pyrenylethinyl)-Adenosine (4PyA) sind eine Gruppe fluoreszierender RNA-Nukleosidanaloga, welche die Gesamtheit aller möglichen Konfigurations-isomere der Grundverbindung PyA umfassen. Ihre zeitabhängigen Fluoreszenzzerfallseigenschaften werden ergänzt von stationären Absorptions- und Fluoreszenzspektren, ultraschneller transienter Absorptionsspektroskopie und quantenchemischen Rechnungen. Die Fluoreszenz von 1PyA und 4PyA gehorchen der Regel von Kasha, wohingegen 2PyA einen triexponentiellen Zerfall mit ausgeprägter Abhängigkeit von der Anregungswellenlänge zeigt. Die transienten Absorptionsspektren aller drei Isomere weisen im gesamten Spektrum dominante, wenig strukturierte Absorptionsbanden des ersten angeregten Zustands auf, welche im nahen UV in unterschiedlichem Maße vom Grundzustandsbleichen und stimulierter Emission überlagert werden. 2PyA zeigt eine deutlich ausgeprägte Signatur für eine interne Umwandlung hin zum S1, wenn es in höhere angeregte Zustände angeregt wird.
Das Fluoreszenzverhalten von 2PyA wird mithilfe eines lokal angeregten (LE) und zweier intramolekularer Ladungstransferzustände, von denen einer der koplanaren Orientierung von Pyren und Adenin (MICT) und der andere einer um 90 ° verdrehten Orientierung (TICT) entspricht. Der LE-Zustand ist hierbei verknüpft mit dem S2 von 2PyA, welcher einer rein pyrenlokalisierten Anregung entspricht. Dieser Zustand existiert so in 1PyA und 4PyA nicht. Der verdrehte TICT-Zustand ist nur in 2PyA bevölkerbar, weil für 2PyA die Barriere zur Bildung von Rotameren am niedrigsten ist und das Molekül nach Anregung daher in diese Geometrie kommen kann und dann durch die stärkere elektrostatische Anziehung stabilisiert wird. 1PyA und 4PyA emittieren hingegen nur aus dem MICT-Zustand.
Die Komplexbildung des TC-Aptamers mit seinem Liganden TC in Lösung wird empfindlich beeinflusst durch die-Konzentration von Magnesiumkationen. Dies wird untersucht durch Bindungs- und Faltungs- und Denaturierungsstudien mit verschiedenen Mg- und Harnstoffkonzentrationen. Als experimentelle Observable dienen hierbei die konformationsabhängige Nukleobasenabsorption und ihr Zirkulardichroismus im fernen UV, die Fluoreszenz des Liganden TC und die freiwerdende Wärme der exothermen Bindungsreaktion des Aptamers mit Mg in An- und Abwesenheit von TC.
Ohne Mg ist eine Interaktion des TC-Aptamers mit TC nicht nachweisbar. Dies liegt daran, dass Mg die notwendige elektrostatische Abschirmung der negativen elektrischen Ladung am RNA-Rückgrat zur Verfügung stellt. Die Abschirmung erlaubt es dem Aptamer kompakte Strukturen mit tertiären Kontakten auszubilden. Wenn die Mg-Konzentration die Faltung des Aptamers vollständig unterstützt (> 1 mM), so befindet sich das Aptamer weitgehend in einer vorgefalteten Konformation, welche der bindungskompetenten stark ähnelt. In diesem Zustand kann das Aptamer seinen Liganden extrem schnell, nämlich annähernd diffusionslimitiert binden. Unter diesen Bedingungen hat TC kaum Einfluss auf die Konformation seines Aptamers.
Bei physiologischen Mg-Konzentrationen (0,2 - 0,8 mM) kann das Aptamer kompakte Konformationen mit tertiären Strukturen einnehmen. Diejenige Konformation, welche der bindenden sehr stark ähnelt, dominiert das konformationelle Gleichgewicht jedoch noch nicht vollständig, es ist lediglich eine Konformation von vielen möglichen. Daher eröffnen physiologische Mg-Konzentrationen dem TC-Aptamer Teile des Konformationsraumes, welche andernfalls nicht zugänglich wären und TC stabilisiert selektiv die native Konformation. Diese konformationelle Verschiebung liefert kann hierbei zur robusten Signalgebung für die Funktion als Riboschalter dienen.
Introduction: Despite the excellent anti-inflammatory and immunosuppressive action of glucocorticoids (GCs), their use for the treatment of inflammatory bowel disease (IBD) still carries significant risks in terms of frequently occurring severe side effects, such as the impairment of intestinal tissue repair. The recently-introduced selective glucocorticoid receptor (GR) agonists (SEGRAs) offer anti-inflammatory action comparable to that of common GCs, but with a reduced side effect profile.
Methods: The in vitro effects of the non-steroidal SEGRAs Compound A (CpdA) and ZK216348, were investigated in intestinal epithelial cells and compared to those of Dexamethasone (Dex). GR translocation was shown by immunfluorescence and Western blot analysis. Trans-repressive effects were studied by means of NF-κB/p65 activity and IL-8 levels, trans-activation potency by reporter gene assay. Flow cytometry was used to assess apoptosis of cells exposed to SEGRAs. The effects on IEC-6 and HaCaT cell restitution were determined using an in vitro wound healing model, cell proliferation by BrdU assay. In addition, influences on the TGF-β- or EGF/ERK1/2/MAPK-pathway were evaluated by reporter gene assay, Western blot and qPCR analysis.
Results: Dex, CpdA and ZK216348 were found to be functional GR agonists. In terms of trans-repression, CpdA and ZK216348 effectively inhibited NF-κB activity and IL-8 secretion, but showed less trans-activation potency. Furthermore, unlike SEGRAs, Dex caused a dose-dependent inhibition of cell restitution with no effect on cell proliferation. These differences in epithelial restitution were TGF-β-independent but Dex inhibited the EGF/ERK1/2/MAPK-pathway important for intestinal epithelial wound healing by induction of MKP-1 and Annexin-1 which was not affected by CpdA or ZK216348.
Conclusion: Collectively, our results indicate that, while their anti-inflammatory activity is comparable to Dex, SEGRAs show fewer side effects with respect to wound healing. The fact that SEGRAs did not have a similar effect on cell restitution might be due to a different modulation of EGF/ERK1/2 MAPK signalling.
β-barrel proteins mediate nutrient uptake in bacteria and serve vital functions in cell signaling and adhesion. For the 14-strand outer membrane protein G of Escherichia coli, opening and closing is pH-dependent. Different roles of the extracellular loops in this process were proposed, and X-ray and solution NMR studies were divergent. Here, we report the structure of outer membrane protein G investigated in bilayers of E. coli lipid extracts by magic-angle-spinning NMR. In total, 1847 inter-residue 1H–1H and 13C–13C distance restraints, 256 torsion angles, but no hydrogen bond restraints are used to calculate the structure. The length of β-strands is found to vary beyond the membrane boundary, with strands 6–8 being the longest and the extracellular loops 3 and 4 well ordered. The site of barrel closure at strands 1 and 14 is more disordered than most remaining strands, with the flexibility decreasing toward loops 3 and 4. Loop 4 presents a well-defined helix.
X-ray structure of the Na+-coupled Glycine-Betaine symporter BetP from Corynebacterium glutamicum
(2009)
Cellular membranes are important sites of interaction between cells and their environment. Among the multitude of macromolecular complexes embedded in these membranes, transporters play a particularly important role. These integral membrane proteins perform a number of vital functions that enable cell adaptation to changing environmental conditions. Osmotic stress is a major external stimulus for cells. Bacteria are frequently exposed to either hyperosmotic or hypoosmotic stress. Typical conditions for soil bacteria, such as Corynebacterium glutamicum, vary between dryness and sudden rainfall. Physical stimuli caused by osmotic stress have to be sensed and used to activate appropriate response mechanisms. Hypoosmotic stress causes immediate and uncontrolled influx of water. Cells counteract by instantly opening mechanosensitive channels, which act as emergency valves leading to fast efflux of small solutes out of the cell, therebydiminishing the osmotic gradient across the cell membrane. Hyperosmotic stress, on the other hand, results in water efflux. This is counterbalanced by an accumulation of small, osmotically active solutes in the cytoplasm, the so-called compatible solutes. They comprise a large variety of substances, including amino acids (proline), amino acid derivatives (betaine, ectoine), oligosaccharides (trehalose), and heterosides (glucosylglycerol). Osmoregulated transporters sense intracellular osmotic pressure and respond to hyperosmotic stress by facilitating the inward translocation of compatible solutes across the cell membrane, to restore normal hydration levels. This work presents the first X-ray structure of a member of the Betaine-Choline-Carnitine-Transporter (BCCT) family, BetP. This Na+-coupled symporter from Corynebacterium glutamicum is a highly effective osmoregulated and specific uptake system for glycine-betaine. X-ray structure determination was achieved using single wavelength anomalous dispersion (SAD) of selenium atoms. Selenium was incorporated into the protein during its expression in methione auxotrophic E. coli cells, grown in media supplemented with selenomethionine. SAD data with anomalous signal up to 5 Å led to the detection of 39 selenium sites, which were used to calculate the initial electron density map of the protein. Medium resolution and high data anisotropy made the structure determination of BetP a challenging task. A specific strategy for data anisotropy correction and a combination of various crystallographic programs were necessary to obtain an interpretable electron density map suitable for model building. The crystal structure of BetP shows a trimer with glycine-betaine bound in a three-fold cation-pi interaction built by conserved tryptophan residues. The bound substrate is occluded from both sides of the membrane and aromatic side chains line its transport pathway. Very interestingly, the structure reveals that the alpha-helical C-terminal domain, for which a chemo- and osmosensory function was elucidated by biochemical methods, interacts with cytoplasmic loops of an adjacent monomer. These unexpected monomer-monomer interactions are thought to be crucial for the activation mechanism of BetP, and a new atomic model combing biochemical results with the crystal structure is proposed. BetP is shown to have the same overall fold as three unrelated Na+-coupled symporters. While these were crystallised in either the outward- or inward-facing conformation, BetP reveals a unique intermediate state, opening new perspectives on the alternating access mechanism of transport.