Biochemie und Chemie
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Indole zum Vergleich mit Amanita-Giften. 6. Hydroxylierung von Tryptophan und Tryptophylpeptiden
(1968)
Im System Fe2⊕, Äthylendiamintetraacetat, Ascorbat und Luftsauerstoff gelingt die Hydroxylierung von Tryptophan, Tryptophyl-glycin, Tryptophyl-glycyl-isoleucyl-glycin und Phalloidin, wobei verschiedene Stellen des Indolrings verschieden stark betroffen werden. Produkte einer 2-, 5-, 6- und 2.6-Hydroxylierung konnten spektroskopisch und papierchromatographisch nachgewiesen werden. Bei den Peptiden gewann die Hydroxylierung des Benzolteils des Tryptophans die Überhand. Vom Phalloidin wurde nur die Bildung eines phenolartigen Produkts, vergleichbar mit Amanitin, festgestellt, wobei über die Stellung der neu eingeführten Hydroxylgruppe keine Aussage gemacht werden kann.
LIN-2/7 (L27) domains are protein interaction modules that preferentially hetero-oligomerize, a property critical for their function in directing specific assembly of supramolecular signaling complexes at synapses and other polarized cell-cell junctions. We have solved the solution structure of the heterodimer composed of the L27 domains from LIN-2 and LIN-7. Comparison of this structure with other L27 domain structures has allowed us to formulate a general model for why most L27 domains form an obligate heterodimer complex. L27 domains can be divided in two types (A and B), with each heterodimer comprising an A/B pair. We have identified two keystone positions that play a central role in discrimination. The residues at these positions are energetically acceptable in the context of an A/B heterodimer, but would lead to packing defects or electrostatic repulsion in the context of A/A and B/B homodimers. As predicted by the model, mutations of keystone residues stabilize normally strongly disfavored homodimers. Thus, L27 domains are specifically optimized to avoid homodimeric interactions.
In der vorliegenden Arbeit wurden neue Methoden für die hochauflösende NMR Spektroskopie entwickelt, um damit native und denaturierte Proteine charakterisieren zu können. Neue Mess- und Anwendungsmethoden für dipolare Kopplungen bilden den Schwerpunkt der Doktorarbeit. Durch die Verwendung von flüssigkristallinen Medien ist es in NMR in Lösung möglich geworden dipolare Kopplungen zu bestimmen. Durch die Projektionen der einzelnen so bestimmten Vektoren auf andere Vektoren im Protein, welche beliebig weit entfernt sein können, kann weitreichende Orientierungsinformationen für die Strukturrechnung von Biomakromolekülen genutzt werden. Dies ist an den Beispielen Ubiquitin, Triggerfaktor und Raffinose in der Arbeit dargestellt. Durch diese Orientierungsinformation kann man auch Teile von Proteinen, wie zum Beispiel Domänen, gegeneinander ausrichten oder die relative Orientierung von Sekundärstrukturelementen nutzen um eine 3D Homologiesuche durchzuführen. Auch dies ist in der Arbeit beschrieben. Die neuen Messmethoden erlauben erstmals die Bestimmung von 1H-1H dipolaren Kopplungen mit Größe und Vorzeichen (JHH-NOESY) und von allen drei dipolaren Kopplungen in einer Seitenkettenmethylgruppe (SPITZE-HSQC). Ein weiterer wichtiger Punkt war die Extraktion dynamischer Parameter aus dipolaren Kopplungen. Der Vektor, der die wechselwirkenden Dipole verbindet, wird von der Dynamik des Proteins beeinflusst. Dadurch ist eine Analyse der Dynamik auf einer Zeitskala bis ca. 10ms möglich (bisher nur bis in den Bereich von ns). Besonders µs Dynamik, welche vorher nicht mittels NMR Methoden sichtbar, kann so dargestellt werden. Aus den dipolaren Kopplungen, welche in 11 verschiedenen Orientierungsmedien gemessen wurden, konnten modellfreie dipolare Ordnungsparameter extrahiert werden. Erstmals konnte zwischen axialsymmetrischen und anisotropen Bewegungen der NH Vektoren unterschieden werden. Unsere experimentellen Daten zeigen, dass Ubiquitin auf einer Zeitskala oberhalb der Korrelationszeit ähnlich viel Bewegung zeigt wie unterhalb der Korrelationszeit. Der mittlere Ordnungsparameter sinkt von 0.8 für Bewegungen bis zur Korrelationszeit auf 0.6 für alle Bewegungszeiten. Auch sieht man, dass viele Bewegungen bis zu 60% Anisotropie beinhalten. TOCSY-Sequenzen sind wichtige Bausteine für Moleküle jeder Größenordnung. Hierfür wurden neue adiabatische TOCSY Sequenzen entwickelt, welche TOCSY Spektroskopie bei allen Magnetfeldern mit höherer Intensität erlauben. Wichtig ist auch noch die viel größere Robustheit gegen B1-Inhomogenitäten und Pulsmisskalibrierung. Dipolare TOCSY Sequenzen (MOCCA) erlauben besseren Transfer mittels den zuvor schon erwähnten dipolaren Kopplungen. Durch die Analyse denaturierter Proteine wollte man ein besseres Verständnis dieses Zustandes erzielen. Hierfür wurden Kopplungskonstanten, kreuzkorrelierte und autokorrelierte Raten und chemische Verschiebungen gemessen und mit einem Modell, dem sogenannten Random Coil Modell verglichen. Mit Hilfe dieser experimentellen Daten sieht man erstmals direkt, dass Proteine im denaturiertem Zustand den Winkel zwischen 60° ( -Helix) und 120° ( -Faltblatt) absuchen.
Since combinatorial chemistry and high throughput screening have become a common technique in the drug discovery phase the number of compounds being considered has increased frequently. These structures are often characterized by high molecular weight, high lipophilicity and low solubility in aqueous and physiological media. Due to the generally poor bioavailability, new in vitro techniques were needed for screening of pharmacokinetic properties. An important parameter for these screening methods is the implementation at an early state of drug discovery phase, to find potential lead structures, before investment costs become significant. The established in vitro methods for the prediction of membrane interaction are not reliable especially for poorly soluble compounds. A new method that is fast and easy to use, requires only small amounts of NCE and which can provide more reliable predictions is needed. In this study, a new screening technique based on surface activity profiling for the prediction of oral drug absorption was evaluated with special emphasis on the predictability of biological membrane interaction of poorly soluble drug compounds. It was demonstrated that drug absorption through a bilayer membrane can be modeled by the orientation of compounds at the air/water interface. Thus amphilicity of a drug is generally related to both oral absorption and blood brain barrier penetration. In turn, amphiphilicity is influenced by the lipophilicity, size and charge distribution of a drug. Surface activity profiling was determined by analysis of surface pressure profiles using the Gibbs adsorption isotherm. The surface activity measurements were carried out using a multichannel tensiometer Delta 8, which was developed by Kibron to be utilized in conjugation high throughput screening in early drug discovery processes. For this study two test sets were analyzed, one for the prediction of gastrointestinal wall interaction and the second for the prediction of the penetration behavior at the blood brain barrier. Both test sets consist of drug compounds with a wide range of absorption properties and consist mainly of compounds with poor water solubility. Since the drugs characteristics varied, they were classified according to water solubility and surface activity and a sample preparation method for each group was established. For the prediction of oral drug absorption, three different methods were established to model the interaction of compound and gastrointestinal wall. For drug compounds with solubility above 1mmol/L the traditional shake-flask method enabled the determination of the amphiphilic properties of drug compounds in pure aqueous media. Compounds with solubility below 1mmol/L tend to not to exhibit any increase in surface activity. Thus surface tension measurements of compounds, which exhibited a limited surface activity due to poor aqueous solubility, were conducted from stock solutions prepared with various organic solvents. Mainly polar organic solvents were used. A mixture of DMSO and DMF resulted in the best combination of properties: the intensive solubility enhancing effect of DMF and the lower intrinsic surface activity of DMSO. The polar solvent ruptured the water clusters, so that highly lipophilic structures had a higher affinity to the solvent and higher concentrations could be obtained. For these compounds higher maximum surface pressure were generated than was possible in pure aqueous media. The surface pressure data were correlated with the fraction absorbed values in vivo. However it was found that poor water solubility is not the only limiting step to exhibiting any surface activity. Some compounds were showed no surface activity in either solvent system. Therefore a micelle vehicle method was established using short chain phospholipids to mimic the gastrointestinal wall. It could be concluded from the results, that non surface active drugs can interact with the phospholipids micelle vehicle in a way analogous to their interaction with the membrane bilayer. The relative critical micelle concentration was correlated with the fraction absorbed of this test set. A sample preparation schema based on the three types of drugs was established. This schema enabled us to predict the absorbance of slightly soluble and poorly soluble drugs with acceptable reliability for early compound screening. For the prediction of blood brain barrier penetration using surface activity profiling as analyzing method, a test set with very poorly soluble characteristics was chosen. The sample preparation method was based on a strictly aqueous approach using the ‘shake flask’ method. The surface tension measurements enabled correlation of the amphiphilic properties of the very poorly soluble drug compounds with BBB uptake. From the aqueous surface pressure profiles and the determination of physicochemical parameters, it was found that blood brain barrier is more likely when a drug provides a small cross-sectional area, As, at the interface. The cross-sectional area is the only parameter which is independent from the maximal concentration in aqueous media and it is particularly suitable for lower solubility compounds. In summary, it was shown that amphilicity is related to biological membrane interaction in the human body and that surface activity profiling with appropriate sample preparation can be used as a reliable screening tool for the prediction of oral drug absorption of poorly soluble drugs. Furthermore an in vitro screening method of blood-brain-barrier penetration was established.
Die Entwicklung künstlicher Ribonucleasen bietet das Potential, Werkzeuge für die Biotechnologie und langfristig neuartige Pharmaka bereitzustellen. 2-Aminobenzimidazole haben sich als metallfreie Katalysatoren zur unspezifischen Spaltung von Ribonucleinsäuren bewährt. In der vorliegenden Arbeit sollte das Konzept von künstlichen Ribonucleasen auf Basis dieser Molekülklasse auf seine Tragfähigkeit gerprüft werden. Außerdem sollten weitere mechanistische Erkenntnisse über die Katalyse der RNA-Hydrolyse durch 2-Aminobenzimidazole gewonnen werden. Hierzu wurden kupplungsfähige 2-Aminobenzimidazol-Derivate hergestellt und anschließend an RNA-Liganden gekuppelt. Diese Konjugate wurden auf ihre Spaltaktivität gegenüber RNA bei physiologischen Bedingungen sowie auf ihre Substrat- und Ortsspezifität getestet. Zunächst wurden Tripeptidkonjugate synthetisiert und untersucht. Hierbei konnte eine gegenüber den unkonjugierten Spezies erhöhte Affinität der Konjugate zum Substrat festgestellt werden. Auch wurde gezeigt, dass 2-Aminobenzimidazole, die in wässriger Lösung zur Aggregation neigen, auch als Einzelmoleküle in der Lage sind, die RNA-Hydrolyse zu katalysieren. Die Substrat- und Ortsspezifität der Tripeptidkonjugate ließ jedoch zu wünschen übrig. Durch die Konjugation von 2-Aminobenzimidazol-Derivaten an Antisense-DNA gelang schließlich die sequenz- und ortsspezifische Affinitätsspaltung von RNA mit beachtlicher Aktivität. Damit war die Tragfähigkeit des Konzepts bewiesen. Ferner konnten durch die weitere Untersuchung der Konjugate starke Indizien gewonnen werden, die das Modell, auf dem die Auswahl der 2-Aminobenzimidazole als katalytische Einheit beruht, stützen.
Es wird versucht, Beweise für die indirekte Strahlenwirkung zu erbringen und die einzelnen Reaktionsschritte, die bei Röntgenstrahlen-Wirkung auf wäßrige Lysinlösungen ablaufen, zu erkennen. Zur Untersuchung der durch HO2 oder OH-Radikale ausgelösten Wirkungen wurden 2 Versuchsreihen durchgeführt:
1. Bestrahlung bei Anwesenheit von Sauerstoff,
2. Bestrahlung bei Sauerstoffmangel.
Außerdem wurde der Einfluß der Dosis, Dosisleistung, Temperatur und verschiedener Substrat-Konzentrationen untersucht.
Schließlich wurde versucht, die experimentell gewonnenen Ergebnisse mit Hilfe von Radikalwirkungen, die sich auf
a) Decarboxylierungen,
b) Desaminierungen,
c) und Veränderungen des Kohlenstoff-Gerüstes erstrecken, zu deuten.
Correlative microscopy incorporates the specificity of fluorescent protein labeling into high-resolution electron micrographs. Several approaches exist for correlative microscopy, most of which have used the green fluorescent protein (GFP) as the label for light microscopy. Here we use chemical tagging and synthetic fluorophores instead, in order to achieve protein-specific labeling, and to perform multicolor imaging. We show that synthetic fluorophores preserve their post-embedding fluorescence in the presence of uranyl acetate. Post-embedding fluorescence is of such quality that the specimen can be prepared with identical protocols for scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM); this is particularly valuable when singular or otherwise difficult samples are examined. We show that synthetic fluorophores give bright, well-resolved signals in super-resolution light microscopy, enabling us to superimpose light microscopic images with a precision of up to 25 nm in the x-y plane on electron micrographs. To exemplify the preservation quality of our new method we visualize the molecular arrangement of cadherins in adherens junctions of mouse epithelial cells.
An application of EPR spectroscopy that is becoming increasingly important is the measurement of distances between electron spins. Several EPR methods have been developed for this purpose, all based on measuring the dipolar coupling between two spins. Due to the specific nature of the sample, we applied dipolar relaxation enhancement measurements to study the geometry of a protein-protein complex. The paramagnetic centers in question had EPR spectra that were too broad and had such short relaxation time that they could not be studied using the more straightforward PELDOR technique. EPR spectral resolution can be increased appreciably by measuring at a frequency higher than conventional X-band (9 GHz) frequency. The spectra of many paramagnetic species can only be resolved at frequencies higher than 90 GHz. For accurate measurement of the orientation of the vector between two dipolar coupled spins with respect to the g-tensors of the spins, high spectral resolution is required. We therefore performed our EPR measurements at G-band (180 GHz) frequency. Dipolar relaxation measurements were applied to study the complex that is formed by the two electron-transfer proteins cytochrome c and cytochrome c oxidase (CcO) from the soil bacterium Paracoccus denitrificans. We were able to detect dipolar relaxation enhancement due to complex formation of soluble subunit II of P.d. CcO (CcOII) with two substrate cytochromes, which was practically absent in a mixture of CcOII with the negative control protein cytochrome c1. This complex formation was characterized by a pronounced temperature dependence that could be simulated using a home-written computer program. The G-band EPR measurements could not be simulated with a single complex geometry. This provided evidence for the hypothesis that electron-transfer protein complexes are short-lived and highly dynamic; they do not seem to form one specific electron-transfer conformation, but rather move around on each other’s binding surfaces and transfer an electron as soon as the distance between donor and acceptor is short enough. As a test of our simulation program, we also applied dipolar relaxation measurements to specially synthesized organic molecules that contained a nitroxide radical and a metal center. The transverse relaxation of Cu2+-OEP-TPA was compared to the relaxation of Ni2+-OEP-TPA at temperatures between 20 and 120 K. In this temperature range, the nitroxide relaxation was enhanced due to the presence of Cu2+, but not by Ni2+. Similarly, relaxation enhancement was found in the nitroxide-Mn2+ pair in Mn2+-terpyridine-TPA with respect to the terpyridine-TPA ligand. Due to the fast T2 relaxation of the nitroxide radical at high temperatures, the measurements were all performed in the low-temperature regime where the T1 relaxation rate of the metal ion was smaller than the dipolar coupling frequency. In this region, no structural information about the molecule can be deduced, since the dipolar relaxation enhancement is only determined by the T1 of the metal ion. The dipolar relaxation measurements we performed at high field indicated a difference in relaxation times between X-band and G-band frequencies. Extensive T1 - measurements of different paramagnetic centers (CuA, Cu2+) confirmed a strong dependence of T1 on magnetic field in the temperature range where the direct process is the dominating T1 relaxation process. This dependence is very strong (factor of 103 with respect to X-band), but does not follow the B04 dependence predicted in literature. The T1 relaxation of low-spin iron in cytochrome c at high magnetic field, estimated from dipolar relaxation data, is also in agreement with a larger contribution by the direct process (factor of 104). Dipolar relaxation enhancement was found to be a technique that is useful for measuring distances between paramagnetic centers, but only for systems where several important conditions are met, such as: the system exists in one certain static geometry, and the relaxation rate of the fast-relaxing spin is faster than the dipolar coupling frequency within the accessible temperature range. Additionally, it is a great advantage for the analysis of dipolar relaxation data if the procedure of dividing the relaxation trace of the dipolar-coupled slow-relaxing spin by the relaxation trace of the slow-relaxing spin in absence of dipolar coupling can be applied. Another useful application of dipolar relaxation enhancement measurements is the measurement of T1 relaxation of extremely fast-relaxing spins, or spins that are otherwise difficult to detect.
In der vorliegenden Arbeit galt es, stabile, lumineszente, tetrakoordinierte Organoborane unter Verwendung eines Bor-funktionalisierten ditopen Grundbausteins und unterschiedlicher π- konjugierter Ligandensysteme zu synthetisieren. Die Bifunktionalität sollte die gleichzeitige Einführung von zwei Lewis-Basen erlauben, um eine mögliche elektronische Kommunikation oder einen Energietransfer zwischen den Chromophoren zu gewährleisten.
...
Zusammenfassend war es möglich unter Einsatz eines Bor-haltigen Grundsystems (DBA) durch die Variation der chelatisierenden bzw. verbrückenden π-konjugierten Liganden stabile und effiziente Fluorophore mit nützlichen optischen Eigenschaften zu realisieren.
LILBID and nESI : different native mass spectrometry techniques as tools in structural biology
(2018)
Native mass spectrometry is applied for the investigation of proteins and protein complexes worldwide. The challenge in native mass spectrometry is maintaining the features of the proteins of interest, such as oligomeric state, bound ligands, or the conformation of the protein complex, during transfer from solution to gas phase. This is an essential prerequisite to allow conclusions about the solution state protein complex, based on the gas phase measurements. Therefore, soft ionization techniques are required. Widely used for the analysis of protein complexes are nanoelectro spray ionization (nESI) mass spectrometers. A newer ionization method is laser induced liquid bead ion desorption (LILBID), which is based on the release of protein complexes from solution phase via infrared (IR) laser desorption. We use both methods in our lab, depending on the requirements of the biological system we are interested in. Here we benchmark the performance of our LILBID mass spectrometer in comparison to a nESI instrument, regarding sample conditions, buffer and additive tolerances, dissociation mechanism and applicability towards soluble and membrane protein complexes.
CryoEM structures of membrane pore and prepore complex reveal cytolytic mechanism of Pneumolysin
(2017)
Many pathogenic bacteria produce pore-forming toxins to attack and kill human cells. We have determined the 4.5 Å structure of the ~2.2 MDa pore complex of pneumolysin, the main virulence factor of Streptococcus pneumoniae, by cryoEM. The pneumolysin pore is a 400 Å ring of 42 membrane-inserted monomers. Domain 3 of the soluble toxin refolds into two ~85 Å β-hairpins that traverse the lipid bilayer and assemble into a 168-strand β-barrel. The pore complex is stabilized by salt bridges between β-hairpins of adjacent subunits and an internal α-barrel. The apolar outer barrel surface with large sidechains is immersed in the lipid bilayer, while the inner barrel surface is highly charged. Comparison of the cryoEM pore complex to the prepore structure obtained by electron cryo-tomography and the x-ray structure of the soluble form reveals the detailed mechanisms by which the toxin monomers insert into the lipid bilayer to perforate the target membrane.
Untersuchungen zur ZNS-Bioverfügbarkeit wirksamkeitsbestimmender Inhaltsstoffe von Johanniskraut
(2007)
In der vorliegenden Arbeit wurde die ZNS-Bioverfügbarkeit der Quercetin-Flavone und der Naphthodianthrone aus Hypericum perforatum untersucht. Hierzu wurde jew. eine HPLC-gestütze Methode zur Quantifizierung der genannten Stoffe in ZNS und Plasma erstellt und in enger Anlehnung an internationale Richtlinien (ICH- u. FDAGuidelines) validiert. Mit Hilfe dieser Methoden wurden im Anschluss Rattenfütterungsstudien durchgeführt und ausgewertet. Im Falle der Quercetin-Flavone konnte eindeutig gezeigt werden, dass diese Stoffgruppe ZNS-bioverfügbar ist und bei wiederholter Gabe (1 x tgl.) über den beobachteten Zeitraum von 8 Tagen im ZNS kumuliert. Ferner ist es gelungen, erste ZNS-Spiegelkurven der Quercetin-Flavone nach Einmal- und Mehrfach-Gabe aufzuzeichnen. Im Gegensatz hierzu weisen die Naphthodianthrone, unter Berücksichtigung der analytischen Grenzen, keine ZNS-Bioverfügbarkeit auf. Betrachtet man diese Ergebnisse im Kontext der bisher erschienenen Publikationen zu Johanniskraut, lässt sich sagen, dass durch die vorliegende Arbeit die Rolle der Flavonoide eindeutig an Bedeutung gewinnt und die der Naphthodianthrone eindeutig an Bedeutung verliert. Schaut man auf die bisher untersuchten Inhaltsstoffe von Johanniskraut, wird deutlich, dass den Phloroglucinolen die wohl herausragendste Bedeutung zukommt, was nicht zuletzt durch Keller et al.[137] und Müller et al. [27,59,67] gezeigt werden konnte. Für die klinische Wirksamkeit des Hypericum-Extraktes sind jedoch auch die Flavonoide essentiell, was durch Tierstudien gezeigt und durch diese Arbeit unterstüzt werden konnte[114]. Der Mechanismus, durch den die Flavonoide zur antidepressiven Wirksamkeit beitragen, liegt, im Gegensatz zu dem der Phloroglucinole, jedoch noch im Dunklen. Durch die Präsenz von Quercetin bzw. dessen Metaboliten im ZNS auf der einen und den Ergebnissen von Tierstudien zur antidepressiven Wirksamkeit isolierter Flavonoide mit Hilfe des Porsolt-Tests auf der anderen Seite[33] lässt sich jedoch spekulieren, dass die Flavonoide einen direkten antidepressiven Effekt ausüben und nicht nur indirekt durch Verbesserung, beispielsweise der ZNS-Bioverfügbarkeit der Phloroglucinole o. ä., zu den antidepressiven Eigenschaften des Extraktes beitragen. Durch ihr Unvermögen, die Blut-Hirn-Schranke in nennenswerten Konzentrationen zu überschreiten, treten die Naphthodianthrone, die in der Vergangenheit als für die Wirksamkeit wichtigsten Inhaltsstoffe angesehen wurden, eindeutig in den Hintergrund. Als Beitrag dieser Stoffgruppe zur antidepressiven Wirksamkeit ist demnach erstens ein wie auch immer gearteter indirekter Effekt durch Verbesserung der ZNS-Bioverfügbarkeit der ZNS-gängigen Substanzen, zweitens ein wegen der bestenfalls möglichen, niedrigen Konzentrationen schwacher antidepressiver Effekt im ZNS, drittens ein antidepressiver Effekt durch aktive Metaboliten oder viertens ein antidepressiver Effekt, der sich in der Peripherie beispielsweise durch Beeinflussung der HPA-Achse abspielt, denkbar. Für ersteres existieren bis dato keinerlei Anhaltspunkte, für den zweiten Punkt existieren weder Beweis noch Gegenbeweis noch Spekulationen in der Literatur, dasselbe gilt für den dritten Punkt, der vierte Punkt wird hingegen kontrovers diskutiert[44,97,143]. In Publikationen wurde hierzu festgestellt, dass unter dem Einfluss von Hypericin sich die Blutspiegel an Cortisol und ACTH, die bei Depressiven erhöht bzw. gestört sind, wieder normalisieren. Der Einwand der Kritiker dieses Wirkmodells scheint hierbei aber plausibel, da es sich bei dem mit Hilfe von Hypericin beeinflussbaren, beobachteten Phänomen der Erhöhten Cortisol- und ACTH-Plasmaspiegel auch nur um ein Symptom einer Depression und nicht um einen für die Depression ursächlichen Vorgang handeln kann. Nicht jeder, bei dem erhöhte Cortisol- und veränderte ACTH-Spiegel vorliegen ist zwangsläufig depressiv. Das exakte Zusammenspiel der einzelnen Extrakt-Komponenten, von denen die bisher in den Focus der Untersuchungen geratenen Stoffe nur etwa 10 bis 15% ausmachen, bleibt jedoch auch weiterhin zum größten Teil im Unklaren, wenngleich gerade dieses Zusammenspiel die besonderen Eigenschaften des Extraktes und dessen Wirkung ausmachen. Unverzichtbare Bestandteile sind hierbei Phloroglucinole und Flavonoide, die in angemessenen Konzentrationen im Extrakt repräsentiert sein müssen, um ein klinisch hochwertiges Produkt zu gewährleisten. Inwieweit ein repräsentativer Gehalt an Hypericinen im Extrakt vorhanden sein sollte, ist nicht zuletzt auf Grund der Ergebnisse dieser Arbeit mit einem Fragezeichen zu versehen, wenngleich die Datenlage zur Zeit keinesfalls ausreicht, die Hypericine gänzlich aus dem Extrakt zu verbannen. In wie weit die An- oder Abreicherung einzelner Komponenten zu einer Verbesserung der klinischen Wirksamkeit führt, muss jedoch stets in zusätzlichen Studien eruiert werden. Insgesamt steht aber mit dem Johanniskraut-Extrakt für die erfolgreiche Therapie von milden bis mittelschweren Depressionen ein wichtiges, fast unverzichtbares Werkzeug zur Verfügung, das sich insbesondere durch sein verglichen mit synthetischen Antidepressiva, überaus günstiges Profil an unerwünschten Arzneimittel-Wirkungen auszeichnet. Trotz in jüngster Zeit propagierter Bedenken hinsichtlich der Unbedenklichkeit der Anwendung von Johanniskraut Extraktpräparaten besonders in Kombination mit anderen Arzneistoffen, was jedoch einer genaueren Betrachtung nur schwer standhält[144], stellt der Johanniskraut-Extrakt zur Behandlung milder bis mittelschwerer Depressionen ein unverzichtbares Werkzeug dar.
The enzyme quinol:fumarate reductase (QFR) from the anaerobic epsilon-proteobacterium Wolinella succinogenes is a membrane protein complex that couples the catalysis of the oxidation of menaquinol to menaquinone to that of the reduction of fumarate to succinate. This is the terminal step in fumarate respiration, a form of anaerobic respiration in which oxygen is replaced by fumarate as the terminal electron acceptor in many anaerobic microorganisms. In QFR, both the heme groups (low-potential distal and high-potential proximal heme b group in transmembrane subunit C) are part of the electron transport chain between the two catalytic sites of the redox enzyme. Although the reduction of fumarate by menaquinol is exergonic, it is not exergonic enough to support the generation of a transmembrane electrochemical proton potential delta p. Evidence has previously shown that this reaction is catalysed by a novel mechanism, involving the facilitation of transmembrane electron transfer by transmembrane proton transfer via an essential compensatory transmembrane proton transfer pathway ("E-pathway") which is inactive in the oxidized state of the enzyme. The two key constitutents of the the pathway are the amino acid residue Glu C180 of the transmembrane helix V (located in subunit C) and the ring C propionate of the distal heme bD. The aim of the project was to obtain, by employing a combination of time-resolved as well as static spectroscopic approaches, a detailed insight of the transmembrane electron coupled proton transfer mechanism. Minute changes in both the oxidized and reduced states of a redox protein system can be selectively and sensitively monitored by static Fourier Transformed Infrared (FTIR) difference spectroscopy. The technique employed in this context, electrochemically induced FTIR difference spectroscopy, is complemented by computer-based electrostatic calculations. In order to elucidate the catalytic mechanism of the important reactions in QFR, it is necessary to investigate these in a time-resolved manner. Rapid scan FTIR difference spectroscopy is a suitable technique that allows the course of the reaction to be monitored in a time dependent fashion. The techniques employed in this context are time-resolved (tr-FTIR) and transient absorption spectroscopy. In the following, the details of individual sub-projects are discussed in brief. ...
Remote control of the synthesis of a [2]rotaxane and its shuttling via metal‐ion translocation
(2019)
Remote control in an eight‐component network commanded both the synthesis and shuttling of a [2]rotaxane via metal‐ion translocation, the latter being easily monitored by distinct colorimetric and fluorimetric signals. Addition of zinc(II) ions to the red colored copper‐ion relay station rapidly liberated copper(I) ions and afforded the corresponding zinc complex that was visualized by a bright sky blue fluorescence at 460 nm. In a mixture of all eight components of the network, the liberated copper(I) ions were translocated to a macrocycle that catalyzed formation of a rotaxane by a double‐click reaction of acetylenic and diazide compounds. The shuttling frequency in the copper‐loaded [2]rotaxane was determined to k298=30 kHz (ΔH≠=62.3±0.6 kJ mol−1, ΔS≠=50.1±5.1 J mol−1 K−1, ΔG≠298=47.4 kJ mol−1). Removal of zinc(II) ions from the mixture reversed the system back generating the metal‐free rotaxane. Further alternate addition and removal of Zn2+ reversibly controlled the shuttling mode of the rotaxane in this eight‐component network where the ion translocation status was monitored by the naked eye.
Na+/H+ exchange is essential for survival of all organisms, having a role in the regulation of the intracellular Na+ concentration, pH and cell volume. Furthermore, Na+/H+ exchangers were shown to be involved in the virulence of the bacterium Yersinia pestis, indicating they might be potential targets for novel antibiotic treatments. The model system for Na+/H+ exchangers is the NhaA transporter from Escherichia coli, EcNhaA. Therefore, the general transport mechanism of NhaA exchangers is currently well characterized. However, much less is known about NhaB exchangers, with only a limited number of studies available. The pathogen Klebsiella pneumoniae, which is a major source of nosocomial infection, possesses three electrogenic Na+/H+ exchangers, KpNhaA1, KpNhaA2 and KpNhaB, none of which have been previously investigated. Our aim in this study was to functionally characterize KpNhaB using solid supported membrane-based electrophysiology as the main investigation technique, and thus provide the first electrophysiological investigation of an NhaB Na+/H+ exchanger. We found that NhaB can be described by the same competition-based mechanism that was shown to be valid for electrogenic NhaA and NapA, and for electroneutral NhaP Na+/H+ exchangers. For comparison we also characterized the activity of KpNhaA1 and KpNhaA2 and found that the three exchangers have complementary activity profiles, which is likely a survival advantage for K. pneumoniae when faced with environments of different salinity and pH. This underlines their importance as potential antibiotic drug targets.
Much of the research on Na+/H+ exchange has been done in prokaryotic models, mainly on the NhaA Na+/H+-exchanger from Escherichia coli (EcNhaA). Two conserved aspartate residues, Asp-163 and Asp-164, are essential for transport and are candidates for possible binding sites for the two H+ that are exchanged for one Na+ to make the overall transport process electrogenic. More recently, a proposed mechanism of transport for EcNhaA has suggested direct binding of one of the transported H+ to the conserved Lys-300 residue, a salt bridge partner of Asp-163. This contention is supported by a study reporting that substitution of the equivalent residue, Lys-305, of a related Na+/H+ antiporter, NapA from Thermus thermophilus, renders the transporter electroneutral. In this work, we sought to establish whether the Lys-300 residue and its partner Asp-163 are essential for the electrogenicity of EcNhaA. To that end, we replaced Lys-300 with Gln, either alone or together with the simultaneous substitution of Asp-163 with Asn, and characterized these transporter variants in electrophysiological experiments combined with H+ transport measurements and stability analysis. We found that K300Q EcNhaA can still support electrogenic Na+/H+ antiport in EcNhaA, but has reduced thermal stability. A parallel electrophysiological investigation of the K305Q variant of TtNapA revealed that it is also electrogenic. Furthermore, replacement of both salt bridge partners in the ion-binding site of EcNhaA produced an electrogenic variant (D163N/K300Q). Our findings indicate that alternative mechanisms sustain EcNhaA activity in the absence of canonical ion-binding residues and that the conserved lysines confer structural stability.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Fluorbenzol- und Fluorbenzimidazol- Nukleoside synthetisiert. Mit 1´-Desoxy-1´-(4-fluor-1-N-benzimidazolyl)-beta-D-ribofuranose 32 handelt es sich um einen zum natürlichen Inosin isosteren Baustein. Die Carbonylsauerstoffe wurden durch Fluoratome und die Stickstoffatome des Sechsringes durch sp²-hybridisierte Kohlenstoffatome ersetzt. Mit den Bausteinen 1´-Desoxy-1´-(4,6-difluor-1- N-benzimidazolyl)-beta-D-ribofuranose 33 und 1´-Desoxy-1´-benzimidazolyl-beta-D-ribofuranose 37 wurden zwei weitere Benzimidazol-Nukleoside mit zwei Fluoratomen bzw. ohne Fluor synthetisiert. Als isosteren Baustein für das natürliche Uridin wurde 1´-Desoxy-1´-(2,4- difluorphenyl)-beta-D-ribofuranose 30 synthetisiert. Auch hier wurden die Carbonylsauerstoffe durch Fluoratome und die Stickstoffatome durch sp²-hybridisierte Kohlenstoffatome ersetzt. Um den Einfluß der Fluorsubstitution untersuchen zu können, wurden noch 1´-Desoxy-1´- (2,4,6-trifluorphenyl)-beta-D-ribofuranose 86, 1´-Desoxy-1´-(4-fluorphenyl)-beta-D-ribofuranose 34, 1´-Desoxy-1´-(3-fluorphenyl)-beta-D-ribofuranose 35, 1´-Desoxy-1´-(2-fluorphenyl)-beta-D- ribofuranose 36 und 1´-Desoxy-1´-phenyl-beta-D-ribofuranose 38 synthetisiert. Die einfach fluorierten Bausteine wurden so ausgewählt, daß das Fluoratom an jeder möglichen Position des Aromaten einmal vorkommt. Schließlich wurden noch Inosin 31 und 1-Desoxy-D- ribofuranose 39 als abasischer Baustein synthetisiert. Die Fluorbenzimidazole wurden ausgehend von den entsprechenden Fluoracetaniliden dargestellt. Die Glykosylierung erfolgte nach der Silyl-Hilbert-Johnson Reaktion mit anschließender Deacetylierung der Hydroxylfunktionen mit ammoniakalischem Methanol. Für die C-Glykosylierung der C-Nukleoside wurde 2,3,5-Tri-O-benzyl-ribono-gamma-lacton 85 benötigt. Dies wurde über vier Stufen aus D-Ribose dargestellt. Nach der C-Glykosylierung mit dem entsprechenden Fluorbrombenzol wurde den Nukleosiden die entstandene C1´- Hydroxylfunktion entfernt. Anschließend wurden die C-Nukleoside mit Palladiumhydroxid auf Kohle und Cyclohexen in einer Transfer-Katalyse entschützt. Die Ausnahme bildete 1´- Desoxy-1´-phenyl-beta-D-ribofuranose 38, das mit Bortribromid entschützt wurde. Der abasische Baustein 39 wurde aus 2,3,5-Tri-O-benzyl-ribofuranose 84 durch Dehydroxylierung und anschließender Entschützung gewonnen. Von allen Fluorbenzol-Nukleosiden gelang es Kristalle aus Wasser oder Methanol zu erhalten und röntgenkristallographisch zu untersuchen. Die Kristallpackungen zeigten eine sehr interessante Anordnung der Moleküle. Alle Fluorbenzol-Nukleoside mit Ausnahme von 1´- Desoxy-1´-(3-fluorphenyl)-beta-D-ribofuranose 35 zeigten nicht die für aromatische Systeme normale Fischgräten-Struktur, sondern eine Anordnung, in der sich die Moleküle gegenüberliegen. Die Kristallpackung besteht abwechselnd aus hydrophilen und lipophilen Schichten. Die hydrophilen Schichten bestehen aus den Zuckeruntereinheiten und die lipophilen aus den Fluoraromaten. Die Zucker sind durch Wasserstoffbrücken miteinander verbunden. Für die Orientierung der Moleküle zueinander sind aber die Fluoratome verantwortlich. In der Kristallpackung von 1´-Desoxy-1´-(4-fluorphenyl)-beta-D-ribofuranose 34 kann ein Fluor-Wasserstoff-Abstand von nur 230 pm detektiert werden. Dies ist deutlich kürzer als die Summe der van-der-Waals Radien von Fluor und Wasserstoff von 255 pm. Der Abstand wird zwischen dem Fluor des einen Nukleosids und einem Wasserstoff eines gegenüberliegenden Nukleosids gemessen. Der Abstand von 230 pm ist einer der kürzesten jemals in Kristallen gemessenen F-H Abstände des Typs C sp² -F...H-C sp² . Bedingt durch diesen kurzen Abstand kann von einer F...H Wasserstoffbrücke gesprochen werden. Auch in den Kristallstrukturen von 1´-Desoxy-1´-(2,4-difluorphenyl)-beta-D-ribofuranose 30 und 1´-Desoxy- 1´-(2-fluorphenyl)-beta-D-ribofuranose 36 werden Fluor-Wasserstoff-Abstände von 255 pm und damit genau der Summe der van-der-Waals Radien gefunden. Nur die Kristallstruktur von 1´- Desoxy-1´-(3-fluorphenyl)-beta-D-ribofuranose 35 zeigt keine F...H Wasserstoffbrücken. Diese Struktur weist auch als einzige eine Fischgräten-Struktur auf. Die Nukleoside wurden auf ihre Lipophilie hin untersucht. Zu diesem Zweck wurden Octanol-Wasser Verteilungskoeffizienten und HPLC-Retentionszeiten der einzelnen Nukleoside gemessen. Die fluorierten Nukleoside zeigten im Gegensatz zu den nichtfluorierten Nukleosiden eine deutlich größere Lipophilie. Die entschützten Nukleoside wurden nach Standardmethoden für RNA Bausteine in ihre Phosphoramidite überführt. Dabei stellte sich heraus, daß durch eine starke Wanderungstendenz der TBDMS-Gruppe in Richtung 3´-Hydroxylfunktion bei allen fluormodifizierten Nukleosiden das gewünschte 2´-geschützte Isomer nur in niedrigen Ausbeuten erhalten werden konnte. Es konnte gezeigt werden, daß bei Verwendung der neuen TOM-Schutzgruppe dieses Problem gelöst werden kann. Die erhaltenen Phosphoramiditbausteine wurden mittels der Phosphoramiditmethode an einem Syntheseautomaten in Ribonukleinsäure (RNA) eingebaut. Dazu wurden RNA Stränge aus zwölf Nukleotiden mit einer Modifikation in der Mitte synthetisiert und aufgereinigt. Um festzustellen, ob die modifizierten Bausteine Wasserstoffbrücken zu den natürlichen Nukleobasen ausbilden oder nicht, wurden sie mit allen vier natürlichen Basen gepaart und die erhaltenen 12mer RNA Duplexe mittels UV- und CD-Spektroskopie untersucht. Aus den erhaltenen Schmelzkurven wurden die Schmelzpunkte bestimmt und die thermodynamischen Daten errechnet. Dabei stellte sich heraus, daß mehrere der modifizierten Nukleoside kaum zwischen den natürlichen Nukleosiden differenzieren, d.h. das die erhaltenen Schmelzpunkte der RNA Duplexe sich kaum unterscheiden egal mit welcher natürlichen Base die modifizierten Basen gepaart sind. Als beste universelle Basen mit der geringsten Differenzierung und den geringsten Stabilitätsverlusten des resultierenden RNA Duplex haben sich 1´-Desoxy-1´-(2,4-difluorphenyl)-beta-D-ribofuranose (B) und 1´-Desoxy-1´-(4,6- difluor-1-N-benzimidazolyl)-beta-D-ribofuranose (E) herausgestellt. Für weitere Untersuchungen wurden die modifizierten Nukleoside gegeneinander und mit dem abasischen Baustein gepaart. Aus den erhaltenen Daten wurden die Beiträge der Solvatation und der Basenstapelungswechselwirkung aller modifizierten Nukleoside bestimmt. Es konnte gezeigt werden, daß ein Einbau einer modifizierten Nukleobase die RNA-Doppelhelix durch fehlende Wasserstoffbrücken zu den natürlichen Nukleobasen und durch geringere Solvatation destabilisiert. In Gegenzug wird die RNA-Doppelhelix durch verstärkte Basenstapelungswechselwirkungen der modifizierten Nukleobasen stabilisiert. Über alle Effekte betrachtet wird die Doppelhelix durch den Einbau einer der untersuchten Nukleoside destabilisiert. Letztendlich wurden Basenpaare aus zwei modifizierten Nukleotiden gebildet, und zwar immer aus einer Purin analogen und einer Pyrimidin analogen Nukleobase (z.B. 4- Fluorbenzimidazol (D) und 2,4-Difluorbenzol (B)). Aus den berechneten Beiträgen für Solvatation und Basenstapelungswechselwirkungen konnten die erwartenden Schmelzpunkte und freien Enthalpien (betaG 0 ) für diese Basenpaare errechnet werden. Im Falle des Benzimidazol (O)-Benzol (M) Basenpaares war dieser Wert mit dem gemessenen fast identisch (±0,1°C). Für das 4-Fluorbenzimidazol-(D)-2,4-Difluorbenzol-(B) und das 4,6- Difluorbenzimidazol-(E)-2,4-Difluorbenzol-(B) Basenpaar sind die gemessenen Werte allerdings um 0,6°C (0,4 kcal/mol) bzw. 0,9°C (0,6 kcal/mol) höher als die errechneten. Da sich diese Basenpaare von dem Benzimidazol-(O)-Benzol-(M) Basenpaar nur durch die Fluoratome unterscheiden, muß diese Stabilisierung der RNA Duplexe durch Wechselwirkungen des Fluors zustande kommen. Bei dieser Wechselwirkung zwischen zwei modifizierten Nukleobasen könnte es sich um F...H-Wasserstoffbrücken handeln, wie sie auch schon in den Kristallen von 1´-Desoxy-1´-(4-fluorphenyl)-beta-D-ribofuranose 34 und 1´- Desoxy-1´-(2,4-difluorphenyl)-beta-D-ribo-furanose 30 nachgewiesen werden konnten. Als Ausblick für zukünftige Arbeiten auf diesem Gebiet ausgehend von den in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse werden folgende Untersuchungen angeregt: - Messung von Fluor-NMR-Spektren zur Untersuchung, ob es sich bei den ermittelten Duplex stabilisierenden Kräften um F...H Wasserstoffbrücken handelt. - Verifizierung der ermittelten Beiträge der Solvatation und der Basenstapelungswechsel- wirkungen durch Einbau der modifizierten Nukleoside in RNA einer anderen Sequenz. - Synthese der Triphosphate der fluormodifizierten Nukleoside mit enzymatischen Einbauversuchen. - Einbau der als universellen Basen erkannten Nukleoside in Ribozyme mit Test der Enzymselektivität und Enzymaktivität.
Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Untersuchung des Schwingungsenergietransfers im N-Methylazetamid (NMA) Molekül und von Wärmetransportprozessen im lichtschaltbaren 310-Aib-Oktapeptid. Dazu unternahmen wir Nichtgleichgewichts-MD-Simulationen und analysierten den zeitlichen Energiefluss in den jeweiligen Biomolekülen. Die Simulationsergebnisse wurden dann im Rahmen der in Kapitel 2 vorgestellten Theorien zum Energietransfer diskutiert. ...
High-resolution cryo-EM structures of respiratory complex I: Mechanism, assembly, and disease
(2019)
Respiratory complex I is a redox-driven proton pump, accounting for a large part of the electrochemical gradient that powers mitochondrial adenosine triphosphate synthesis. Complex I dysfunction is associated with severe human diseases. Assembly of the one-megadalton complex I in the inner mitochondrial membrane requires assembly factors and chaperones. We have determined the structure of complex I from the aerobic yeast Yarrowia lipolytica by electron cryo-microscopy at 3.2-Å resolution. A ubiquinone molecule was identified in the access path to the active site. The electron cryo-microscopy structure indicated an unusual lipid-protein arrangement at the junction of membrane and matrix arms that was confirmed by molecular simulations. The structure of a complex I mutant and an assembly intermediate provide detailed molecular insights into the cause of a hereditary complex I-linked disease and complex I assembly in the inner mitochondrial membrane.
Many interesting and important membrane proteins are hetero-oligomeric. However, besides naturally abundant examples, the structures of relatively few such complexes are known. Partly, this is due to difficulties in expression, stoichiometric assembly, and in the evaluation of their stability prior to crystallization trials. Here we describe a new approach, which allows rapid assessment of protein complex quality, assembly and stoichiometry, simplifying the search for conditions conducive to long-term stability and crystallization. Multicolour fluorescence size-exclusion chromatography (MC-FSEC) is used to enable tracking of individual subunits through expression, solubilization and purification steps. We show how the method has been applied to the heterodimeric transporter associated with antigen processing (TAP) and demonstrate how it may be extended in order to analyse membrane multisubunit assemblies.
Proteomic analysis is the large-scale identification and characterization of proteins including post translational modifications. Proteomics encompasses a number of approaches including bottom-up and top-down workflows which are widely used independently and complementary as tools for the successful study of protein species. However, up to the present day these techniques have not been able to overcome every analytical limitation. Mass spectrometry has played a vital role alongside proteomics in providing the required analytical means of detecting protein amounts down to the atomole range. Soft ionization methods such as matrix assisted laser desorption/ionization (MALDI) and electrospray ionization (ESI) have permitted the transfer of peptides and intact proteins into the gas phase without extensive degradation. The introduction of recent developments in MALDI technology such as the highly sensitive 4-chloro-alpha-cyanocinnamic acid matrix (Cl-CCA) as well as the commercial availability of a MALDI-LTQ-Orbitrap which boosts peptide mass accuracy below 3 parts per million (ppm), have offered new prospective in protein analysis. The aim of the current study is to incorporate these new aspects and provide further advancements in gel-based as well as gel-free proteomic workflows.
Peptides of proteolytically digested proteins are routinely analyzed by means of peptide mass fingerprinting (PMF) often combined with MS/MS analyses to complement and substantiate PMF results by peptide sequence information. The most widely used protease for enzymatic digestion is trypsin, since it exhibits a very specific cleavage behavior limited to C-terminal hydrolyses after basic amino acids. However, less specific enzymes such as chymotrypsin, elastase and pepsin have emerged as useful tools in the analysis of particular protein classes e.g. membrane, cereal, and phosphorylated proteins. In this work a comprehensive bottom-up proteomic investigation including in-solution and in-gel protein digestions of analytes covering small to large, acidic to basic, and hydrophobic to hydrophilic proteins in combination with a series of less specific enzymes are presented in order to show the superiority of the novel MALDI matrix Cl-CCA. The Cl-CCA matrix proved to be highly superior compared to standard α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (CHCA) since an average detection of more than 2- to 3-fold peptide amount was possible depending on the used protease and, therefore, resulting in strongly increased sequence coverage. Additionally, protein identification of chymotrypsin and elastase in-gel digested protein standards was evaluated. The MALDI-LTQ-Orbitrap providing peptide mass accuracy below and up to 3 ppm in combination with Cl-CCA as matrix and newly optimized digestion conditions led to unambiguous protein identifications of all chymotryptic digests outperforming its tryptic counterparts in the case of hydrophobic bacteriorhodopsin and α-globin from hemoglobin A (α-HgbA). In addition, significantly higher sequence coverage and increased number of detected peptides was acquired. Moreover, a proposed workaround for elastase digestions was capable of providing a solution for successful identification results.
Apart from digestions of singly separated proteins, solution isoelectic focusing (sIEF) was evaluated. OFFGEL fractionation is an efficient means of fractionating peptides and proteins according to their isoelectric point (pI) values through immobilized pH gel (IPG) strips after which samples are recovered in solution. Consequently, an issue of peptide recovery arises as a category of peptides relatively insoluble to the recovery solution should be present. A method was developed including the scraping of gel matrix from the IPG strips and peptide extraction using acetonitrile as organic solvent in combination with analytical techniques such as nLC-MALDI-MS/MS for peptide identification. The nature of the peptide species remaining in-gel was analysed and attributed to peptide solubility. A general trend in which a high percentage of neutral and hydrophobic peptides remaining entrapped in the IPG gel strip was observed.
The present work also examines a new top-down proteomic workflow involving protein elution from cleavable gels containing the labile crosslinker ethylene-glycol-diacrylate (EDA). Protein amounts of as low as 100 ng loaded onto EDA gels were detected using MALDI-TOF MS in the linear acquisition mode. Proteins from 8.5 up to 78 kDa were successfully measured including a hydrophobic 15 kDa core protein attaining a GRAVY score of +0.079. Additionally, the method was compatible with one dimensional protein separation as well as for 2-D IEF/SDS-PAGE. Lastly, two methods for protein identification were tested and found to be compatible to the proposed technique.
The c-MYC proto-oncogene is a regulator of fundamental cellular processes such as cell cycle progression and apoptosis. The development of novel c-MYC inhibitors that can act by targeting the c-MYC DNA G-quadruplex at the level of transcription would provide potential insight into structure-based design of small molecules and lead to a promising arena for cancer therapy. Herein we report our finding that two simple bis-triazolylcarbazole derivatives can inhibit c-MYC transcription, possibly by stabilizing the c-MYC G-quadruplex. These compounds are prepared using a facile and modular approach based on Cu(I) catalysed azide and alkyne cycloaddition. A carbazole ligand with carboxamide side chains is found to be microenvironment-sensitive and highly selective for "turn-on" detection of c-MYC quadruplex over duplex DNA. This fluorescent probe is applicable to visualize the cellular nucleus in living cells. Interestingly, the ligand binds to c-MYC in an asymmetric fashion and selects the minor-populated conformer via conformational selection.
The cytochrome bc1 complex is a cornerstone in bioenergetic electron transfer chains, where it carries out tasks as diverse as respiration, photosynthesis, and nitrogen fixation. This homodimeric multisubunit membrane protein has been studied extensively for several decades and the enzyme mechanism is described with the modified protonmotive Q cycle. Still, the molecular and kinetic description of the catalytic cycle is not complete and questions remain regarding the bifurcation of electron transfer at the quinol oxidation (Qo) site, substrate occupancy, pathways of proton conduction, and the nature of the Rieske protein domain movement. We used competitive inhibitors to study the molecular architecture at the Qo site with X-ray crystallography. The structure of the enzyme with the substrate analog 5-n-heptyl-6-hydroxy-4,7-dioxobenzothiazole (HHDBT) bound at the Qo site was determined at 2.5 Å resolution. Spectroscopic studies showed that HHDBT is negatively charged when bound at the active site. Mechanistic interpretations from inhibitor binding are in line with single occupancy model for quinol oxidation and structural analysis supports the proposed proton transfer pathway. For functional insight into the enzyme mechanism, redox-sensitive protonation changes were studied by Fourier transform infrared spectroscopy. The protein purification procedure was optimized for less delipidation and the isolated enzyme was more active. Furthermore, two new phospholipids were identified in the X-ray structures, including a cardiolipin. Strikingly, conserved lipid binding cavities were observed in structural comparison with homologous enzymes. The functional role of tightly bound phospholipids will be discussed. Finally, the Qo site is a target for various compounds of agricultural and pharmaceutical importance. Importantly, the X-ray structures permit detailed analysis of the molecular reasons for acquired resistance to and treatment failure of Qo site inhibitors, such as atovaquone, that is used to treat malaria and pneumonia, as discussed herein.
Single-molecule super-resolution microscopy allows imaging of fluorescently-tagged proteins in live cells with a precision well below that of the diffraction limit. Here, we demonstrate 3D sectioning with single-molecule super-resolution microscopy by making use of the fitting information that is usually discarded to reject fluorophores that emit from above or below a virtual-'light-sheet', a thin volume centred on the focal plane of the microscope. We describe an easy-to-use routine (implemented as an open-source ImageJ plug-in) to quickly analyse a calibration sample to define and use such a virtual light-sheet. In addition, the plug-in is easily usable on almost any existing 2D super-resolution instrumentation. This optical sectioning of super-resolution images is achieved by applying well-characterised width and amplitude thresholds to diffraction-limited spots that can be used to tune the thickness of the virtual light-sheet. This allows qualitative and quantitative imaging improvements: by rejecting out-of-focus fluorophores, the super-resolution image gains contrast and local features may be revealed; by retaining only fluorophores close to the focal plane, virtual-'light-sheet' single-molecule localisation microscopy improves the probability that all emitting fluorophores will be detected, fitted and quantitatively evaluated.
Archaea are motile by the rotation of the archaellum. The archaellum switches between clockwise and counterclockwise rotation, and movement along a chemical gradient is possible by modulation of the switching frequency. This modulation involves the response regulator CheY and the archaellum adaptor protein CheF. In this study, two new crystal forms and protein structures of CheY are reported. In both crystal forms, CheY is arranged in a domain-swapped conformation. CheF, the protein bridging the chemotaxis signal transduction system and the motility apparatus, was recombinantly expressed, purified and subjected to X-ray data collection.
Cell-free expression represents an attractive method to produce large quantities of selectively labeled protein for NMR applications. Here, cell-free expression was used to label specific regions of the growth hormone secretagogue receptor (GHSR) with NMR-active isotopes. The GHSR is a member of the class A family of G protein-coupled receptors. A cell-free expression system was established to produce the GHSR in the precipitated form. The solubilized receptor was refolded in vitro and reconstituted into DMPC lipid membranes. Methionines, arginines, and histidines were chosen for 13C-labeling as they are representative for the transmembrane domains, the loops and flanking regions of the transmembrane α-helices, and the C-terminus of the receptor, respectively. The dynamics of the isotopically labeled residues was characterized by solid-state NMR measuring motionally averaged 1H-13C dipolar couplings, which were converted into molecular order parameters. Separated local field DIPSHIFT experiments under magic-angle spinning conditions using either varying cross polarization contact times or direct excitation provided order parameters for these residues showing that the C-terminus was the segment with the highest motional amplitude. The loop regions and helix ends as well as the transmembrane regions of the GHSR represent relatively rigid segments in the overall very flexible receptor molecule. Although no site resolution could be achieved in the experiments, the previously reported highly dynamic character of the receptor concluded from uniformly 13C labeled receptor samples could be further specified by this segmental labeling approach, leading to a more diversified understanding. of the receptor dynamics under equilibrium conditions
The title molecule, C17H25N3O3, is built up from fused six- and five-membered rings linked to a –C10H21 chain. The fused-ring system is essentially planar, the largest deviation from the mean plane being 0.009 (2) Å. The chain is roughly perpendicular to this plane, making a dihedral angle of 79.5 (2)°. In the crystal, N—H[cdots, three dots, centered]O hydrogen bonds build infinite chains along [010]. There are channels in the structure containing disordered hexane. The contribution of this solvent to the scattering power was suppressed using the SQUEEZE option in PLATON [Spek (2009 [triangle]). Acta Cryst. D65, 148–155].
The two fused five- and six-membered rings building the molecule of the title compound, C13H10BrN3, are approximately planar, the largest deviation from the mean plane being 0.004 (2) Å. The dihedral angle between the imidazo[4,5-b]pyridine mean plane and that of the phenyl ring is 41.84 (11)°. The structure is held together by slipped π–π stacking between symmetry-related molecules, with an interplanar distance of 3.583 (1) Å and a centroid–centroid vector of 3.670 (2) Å.
The fused five- and six-membered rings in the title compound, C14H12N2O, are essentially planar, the largest deviation from the mean plane being 0.023 (2) Å. The dihedral angle between the benzimidazole mean plane and the phenyl ring is 68.50 (6)°. In the crystal, each molecule is linked to its symmetry equivalent created by a crystallographic inversion center by pairs of N—H[cdots, three dots, centered]O hydrogen bonds, forming inversion dimers.
A novel series of ribonucleosides of 1,2,3-triazolylbenzyl-aminophosphonates was synthesized through the Kabachnik–Fields reaction using I2 as catalyst followed by copper-catalyzed cycloaddition of the azide–alkyne reaction (CuAAC). All structures of the newly prepared compounds were characterized by 1H NMR, 13C NMR, and HRMS spectra. The structures of 2e, 2f, 3d, and 3g were further confirmed by X-ray diffraction analysis. These compounds were tested against various strains of DNA and RNA viruses; compounds 4b and 4c showed a modest inhibitory activity against respiratory syncytial virus (RSV) and compound 4h displayed modest inhibitory activity against Coxsackie virus B4.
In the title compound, C20H24N2O4, both peptide bonds adopt a trans configuration with respect to the —N—H and —C=O groups. The dihedral angle between the aromatic rings is 53.58 (4)°. The molecular conformation is stabilized by an intramolecular N—H⋯O hydrogen bond. The crystal packing is characterized by zigzag chains of N—H⋯O hydrogen-bonded molecules running along the b-axis direction.
In this study, we describe the synthesis of 1,4-disustituted-1,2,3-triazolo-quinazoline ribonucleosides or acyclonucleosides by means of 1,3-dipolar cycloaddition between various O or N-alkylated propargyl-quinazoline and 1'-azido-2',3',5'-tri-O-benzoylribose or activated alkylating agents under microwave conditions. None of the compounds selected showed significant anti-HCV activity in vitro.
The p63 gene encodes a master regulator of epidermal commitment, development, and differentiation. Heterozygous mutations in the DNA binding domain cause Ectrodactyly, Ectodermal Dysplasia, characterized by limb deformation, cleft lip/palate, and ectodermal dysplasia while mutations in in the C-terminal domain of the α-isoform cause Ankyloblepharon-Ectodermal defects-Cleft lip/palate (AEC) syndrome, a life-threatening disorder characterized by skin fragility, severe, long-lasting skin erosions, and cleft lip/palate. The molecular disease mechanisms of these syndromes have recently become elucidated and have enhanced our understanding of the role of p63 in epidermal development. Here we review the molecular cause and functional consequences of these p63-mutations for skin development and discuss the consequences of p63 mutations for female fertility.
The application of laser induced fluorescence (LIF) in the uv to monitor tropospheric OH concentrations is limited for several reasons. In general the sensitivity of this method increases with the laser intensity. But at the low OH concentrations present in the atmosphere the beginning nonlinearity of the absorption (saturation effect) severely restricts the use of higher laser intensities. The high sensitivity of the LIF technique can be further compromised by the presence of an OH interference signal. This signal is generated by the monitoring laser light itself from laser photolysis of ambient ozone and the succeeding reaction of the photolysis product O (1D) with water to produce hydroxyl radicals. The results of the calculations are presented in a diagram from which the range of laser parameters can be deduced, which can be applied with confidence to monitor OH by the LIF method. The maximum number of signal counts for these working conditions is in the range of 10-3 per laser pulse.
The TOM complex is the main entry point for precursor proteins into mitochondria. Precursor proteins containing targeting sequences are recognized by the TOM complex and imported into the mitochondria. We have determined the structure of the TOM core complex from Neurospora crassa by single-particle cryoEM at 3.3 Å resolution, showing its interaction with a bound presequence at 4 Å resolution, and of the TOM holo complex including the Tom20 receptor at 6-7 Å resolution. TOM is a transmembrane complex consisting of two β-barrels, three receptor subunits and three short transmembrane subunits. Tom20 has a transmembrane helix and a receptor domain on the cytoplasmic side. We propose that Tom20 acts as a dynamic gatekeeper, guiding precursor proteins into the pores of the TOM complex. We analyze the interactions of Tom20 with other TOM subunits, present insights into the structure of the TOM holo complex, and suggest a translocation mechanism.
This thesis investigates the structure of the translocase of the outer membrane (TOM) complex in mitochondria, focusing on the TOM holo complex through single-particle electron cryo-microscopy (cryoEM) complemented by mass spectrometry and computational structure prediction. Mitochondria, crucial for energy production in eukaryotic cells, import most of their proteins from the cytoplasm. These proteins enter through the TOM complex, which in its core form consists of a membrane-embedded homodimer of Tom40 pores, two Tom22 cytoplasmic receptors, and six small TOM stabilizing subunits (Tom7, Tom6, and Tom5). The holo complex includes two additional subunits, Tom70 and Tom20, whose stoichiometry and positioning are less understood due to their easy dissociation during isolation of the complex. CryoEM analysis revealed the high-resolution structure of the Neurospora crassa TOM core complex at 3.3 Å, containing all core subunits, and the presence of a central phospholipid causing the Tom40 dimer to tilt to 20°. Furthermore, a 4 Å resolution map indicated the binding of a precursor protein as it transitions through the translocation barrel. Finally, at 6-7 Å resolution, the structure of the TOM holo complex highlighted Tom20's flexibility as it interacts with the core complex, emphasizing its role in protein translocation. This work provides significant insights into the architecture and functioning of the TOM complex, contributing to the understanding of mitochondrial protein import mechanisms.
Drug-induced liver injury (DILI) has become a major problem for patients and for clinicians, academics and the pharmaceutical industry. To date, existing hepatotoxicity test systems are only poorly predictive and the underlying mechanisms are still unclear. One of the factors known to amplify hepatotoxicity is the tumor necrosis factor alpha (TNFα), especially due to its synergy with commonly used drugs such as diclofenac. However, the exact mechanism of how diclofenac in combination with TNFα induces liver injury remains elusive. Here, we combined time-resolved immunoblotting and live-cell imaging data of HepG2 cells and primary human hepatocytes (PHH) with dynamic pathway modeling using ordinary differential equations (ODEs) to describe the complex structure of TNFα-induced NFκB signal transduction and integrated the perturbations of the pathway caused by diclofenac. The resulting mathematical model was used to systematically identify parameters affected by diclofenac. These analyses showed that more than one regulatory module of TNFα-induced NFκB signal transduction is affected by diclofenac, suggesting that hepatotoxicity is the integrated consequence of multiple changes in hepatocytes and that multiple factors define toxicity thresholds. Applying our mathematical modeling approach to other DILI-causing compounds representing different putative DILI mechanism classes enabled us to quantify their impact on pathway activation, highlighting the potential of the dynamic pathway model as a quantitative tool for the analysis of DILI compounds.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Apolipoproteine des Liquors untersucht, um bestehende Zusammenhänge nachzuweisen, die eventuell später bei der Diagnose von Erkrankungen eingesetzt werden könnten. Das ApoE aller Proben wurde phänotypisiert. Die Konzentrationen des ApoJ und Apo(a) wurden mit Hilfe selbst- bzw. in der Arbeitsgruppe entwickelter ELISAs bestimmt. Durch Kombination der existierenden ELISAs konnte der von Borghini et al. 1995 beschriebene LpE-Partikel und ein bisher nicht bekannter Apolipoprotein-Partikel aus Apo(a) und ApoE nachgewiesen werden. Die relative Konzentration dieses Apo(a)/E- und des ApoJ/E-Partikels wurde bestimmt. Mit Hilfe der Kreuzimmunelektrophorese konnte nachgewiesen werden, daß die Apolipoproteine Bestandteil eines Partikels sind. Aufgrund der gefundenen Informationen wurde die These postuliert, daß es sich bei diesen Partikeln um einen gemeinsamen Partikel aus ApoE, ApoJ und Apo(a) handelt. Detaillierte Daten über den Aufbau und die Zusammensetzung des Partikels konnten bisher nicht gewonnen werden. Im Liquor wurden die Konzentrationen von ApoE, Apo(a) und ApoJ gemessen. Diese Konzentrationen wurden in Zusammenhang zu dem ApoE-Phänotyp der entsprechenden Probe gesetzt. Wo möglich wurde ApoE und Apo(a) auch im Serum der entsprechenden Patienten bestimmt. Auch diese Konzentrationen wurden in Beziehung zu ihrem ApoE-Phänotyp gesetzt. Zuletzt wurden für die Apolipoproteine E und (a) die Liquor- und Serumkonzentration in Beziehung zueinander gesetzt. Außer für das ApoE und den ApoJ/E-Partikel konnte für keines der untersuchten Apolipoproteine weder im Liquor noch im Serum ein offensichtlicher Zusammenhang zwischen der Konzentration des Apolipoproteins und dem ApoE-Phänotyp gefunden werden. Zusätzlich zu den Apolipoproteinen des Liquors wurde in Zusammenarbeit mit der Universität Dresden das Tau-Protein gemessen. Die Ergebnisse bestätigen die diagnostische Wertigkeit der Bestimmung von Protein Tau bei degenerativen Erkrankungen des ZNS. Eine Differenzierung zwischen verschiedenen degenerativen Erkrankungen des ZNS ist jedoch nicht möglich. Ein weiterer Teil dieser Arbeit untersuchte die Rolle des ApoE im Gehirn. Dabei zeigte sich, daß die Synthese des ApoE durch die Astrozyten ein sehr komplexer Vorgang sein muß. Eine weitere Untersuchung des ApoE wies die stärkere Glykolisierung im Liquor im Vergleich zum Serum nach.
Prostaglandin E2 (PGE2) favors multiple aspects of tumor development and immune evasion. Therefore, microsomal prostaglandin E synthase (mPGES-1/-2), is a potential target for cancer therapy. We explored whether inhibiting mPGES-1 in human and mouse models of breast cancer affects tumor-associated immunity. A new model of breast tumor spheroid killing by human PBMCs was developed. In this model, tumor killing required CD80 expression by tumor-associated phagocytes to trigger cytotoxic T cell activation. Pharmacological mPGES-1 inhibition increased CD80 expression, whereas addition of PGE2, a prostaglandin E2 receptor 2 (EP2) agonist, or activation of signaling downstream of EP2 reduced CD80 expression. Genetic ablation of mPGES-1 resulted in markedly reduced tumor growth in PyMT mice. Macrophages of mPGES-1-/- PyMT mice indeed expressed elevated levels of CD80 compared to their wildtype counterparts. CD80 expression in tumor-spheroid infiltrating mPGES-1-/- macrophages translated into antigen-specific cytotoxic T cell activation. In conclusion, mPGES-1 inhibition elevates CD80 expression by tumor-associated phagocytes to restrict tumor growth. We propose that mPGES-1 inhibition in combination with immune cell activation might be part of a therapeutic strategy to overcome the immunosuppressive tumor microenvironment.
Background: How a dentist works, such as the patterns of movements performed daily, is also largely affected by the workstation Dental tasks are often executed in awkward body positions, thereby causing a very high degree of strain on the corresponding muscles. The objective of this study is to detect those dental tasks, during which awkward postures occur most frequently. The isolated analysis of static postures will examine the duration for which these postures are maintained during the corresponding dental, respectively non-dental, activities.
Methods: 21 (11f/10 m) dentists (age: 40.1 ± 10.4 years) participated in this study. An average dental workday was collected for every subject. To collect kinematic data of all activities, the CUELA system was used. Parallel to the kinematic examination, a detailed computer-based task analysis was conducted. Afterwards, both data sets were synchronized based on the chronological order of the postures assumed in the trunk and the head region. All tasks performed were assigned to the categories "treatment" (I), "office" (II) and "other activities" (III). The angle values of each body region (evaluation parameter) were examined and assessed corresponding to ergonomic standards. Moreover, this study placed a particular focus on static positions, which are held statically for 4 s and longer.
Results: For "treatment" (I), the entire head and trunk area is anteriorly tilted while the back is twisted to the right, in (II) and (III) the back is anteriorly tilted and twisted to the right (non-neutral position). Static positions in (I) last for 4–10s, static postures (approx. 60%) can be observed while in (II) and (III) in the back area static positions for more than 30 s are most common. Moreover, in (II) the back is twisted to the right for more than 60 s in 26.8%.
Conclusion: Awkward positions are a major part of a dentists’ work. This mainly pertains to static positions of the trunk and head in contrast to "office work." These insights facilitate the quantitative description of the dentist profession with regard to the related physical load along with the health hazards to the musculoskeletal system. Moreover, the results allow for a selective extraction of the most unfavorable static body positions that dentists assume for each of the activities performed.
Im Rahmen dieser Arbeit sollte untersucht werden, ob eine Zellzyklusabhängigkeit der CD95- vermittelten Apoptose besteht. Dazu wurde ein ecdysoninduzierbares Genexpressionsystem für die induzierte Überexpression der CDK-Inhibitoren p21 und p27 in RKO-Zellen (Kolonkarzinomzellen) zur Herbeiführung eines Zellzyklusarrests in der G1-Phase benutzt. Nach Induktion mit dem Ecdysonhomolog Muristeron wurde durch Zugabe von rekombinanten hCD95-Liganden Apoptose ausgelöst und anschließend untersucht. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass der Induktor Muristeron an sich und nicht die p21- bzw. p27-Überexpression die anti-apoptotische Akt-Kinase aktiviert, die Expression des anti-apoptotischen Bcl-xL erhöht, die Caspase-8-Aktivierung (entweder am CD95-DISC oder durch "Feedback"-Aktivierung durch Caspase-3) und die darauf folgenden Ereignisse verhindert und somit die hCD95L-induzierte Apoptose blockiert. Zusätzlich beeinflusst der Induktor auch das Genexpressionsmuster der behandelten Zellen, was ebenfalls für die Hemmung der Apoptose mit verantwortlich sein könnte. Somit ist das ecdysoninduzierbare Genexpressionsystem zur Apoptoseuntersuchung in RKO-Zellen nicht verwendbar. Mit der Untersuchung des Apoptoseverhaltens proliferierender RKO-Zellen konnte gezeigt werden, dass überlebende Zellen nach hCD95L-Behandlung vermehrt in der G0/G1-Zellzyklusphase nachweisbar sind, während apoptotische (Caspase-3-positive) Zellen aus der G2/M-Phase heraus sterben. Allerdings weisen die apoptotischen Zellen kaum Cyclin B1 auf, ein für die G2-Phase wichtiges und typisches Cyclin. Somit bleibt die genaue Verknüpfung von Zellzyklusregulation und Apoptose auch nach diesen Analysen ungeklärt. In einem dritten Ansatz - Zellzyklusarrest durch Dichtearretierung - konnte eine Hemmung der CD95- vermittelten Apoptose in der arretierten Zellpopulation nachgewiesen werden. Allerdings sekretieren RKO-Zellen einen anti-apoptotischen Faktor in ihr Medium, dessen Konzentration und Wirkung mit größerer Zelldichte zunimmt und somit für die Protektion, unabhängig von Zellzyklusarrest oder Proliferation, verantwortlich ist. Konfluente und auch mit konditioniertem Medium behandelte RKO-Zellen zeigen im Vergleich zu dünn ausgesäten RKO-Zellen Veränderungen, die denen sehr ähnlich sind die beim Übergang einer epithelverankerten Zelle zu einer migrierenden Einzelzelle (EMT) auftreten. Beispielsweise verändert sich die Zusammensetzung des Zytoskeletts, die Zellen verlieren den Zell-Zell-Kontakt und lösen sich ab, bleiben aber am Leben. Zusätzlich steigt die Sekretion von Zytokinen an, die Angiogenese, Migration und Invasion positiv beeinflussen. Sowohl konfluente als auch mit konditioniertem Medium behandelte sub-konfluente Zellen sind apoptoseresistent (hCD95L, TRAIL, UV, Staurosporin), woran u.a. die Kinasen PKC und PI3K, aber auch das anti-apoptotische Bcl-xL beteiligt sind. Die Zellen sterben interessanterweise, wenn ein agonistischer anti-CD95-Antikörper statt des rekombinanten CD95-Liganden verwendet wird, was vermuten lässt, dass eine mangelhafte Vernetzung der einzelnen DISC-Komplexe zur Apoptosehemmung führt, welche durch den Antikörper dann aber erzwungen wird. Zwar handelt es sich hierbei um ein reines Zellkulturmodell, dennoch könnte es bedeuten, dass die Umgebung in einer dichten RKO-Zellkultur vergleichbar ist mit der in größeren soliden Tumoren. Die Zellen brauchen Nährstoffe, versuchen über eine Neovaskularisierung Anschluss an ein Blutsystem zu finden und sekretieren Lockstoffe, Wachstumsfaktoren sowie Proteasen, um die Metastasierung zu erleichtern. PI3K, cPKCs und Bcl-xL tragen dabei zu einer Apoptoseresistenz bei, welche die Zellen zum einen resistent gegenüber Anoikis, Nährstoffmangel, aber auch gegen angreifende zytotoxische T-Zellen macht. Eine weitere Aufklärung der hier ablaufenden Prozesse würde es erleichtern, Möglichkeiten zu finden, in diese Signalwege einzugreifen, um die Apoptosesensitivität wieder herzustellen und die Metastasierung zu verhindern. Insbesondere ist die Identifizierung des für die Apoptoseprotektion verantwortlichen Zytokins das nächste wichtige Ziel bei der Fortsetzung dieser Arbeiten.
Das große therapeutische Potential der RNA Interferenz wird dadurch deutlich, dass sich wenige Jahre nach der Entdeckung die ersten potentiellen RNAi Medikamente in den klinischen Teststudien befinden. Jedoch müssen bis zur therapeutischen Anwendung im großen Maße noch einige Hindernisse überwunden werden. Um eine optimale Wirkung der siRNAs gewährleisten zu können müssen folgende Punkte beachtet werden: - Erhöhte Nuclease-Resistenz - Effiziente zelluläre Aufnahme - Keine Off-Target Effekte - in vivo geringe Toxizität Das richtige Design der siRNAs ist somit von enormer Bedeutung. Hierfür bedient man sich verschiedener Modifikationsmöglichkeiten wie z.B. Basenmodifikationen, Modifikationen an der 2´-O-Position sowie am Phosphatrückrat. Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit ist es gelungen verschiedene Syntheserouten zur Darstellung von Nucleosiden mit kationischen sowie neutralen 2´-O-Modifikationsmotiven zu erarbeiten und zu optimieren. ...
5-Lipoxygenase (5-LO) catalyzes the two initial steps in the biosynthesis of leukotrienes (LT), a group of inflammatory lipid mediators derived from arachidonic acid. Here, we investigated the regulation of 5-LO mRNA expression by alternative splicing and nonsense-mediated mRNA decay (NMD). In the present study, we report the identification of 2 truncated transcripts and 4 novel 5-LO splice variants containing premature termination codons (PTC). The characterization of one of the splice variants, 5-LOΔ3, revealed that it is a target for NMD since knockdown of the NMD factors UPF1, UPF2 and UPF3b in the human monocytic cell line Mono Mac 6 (MM6) altered the expression of 5-LOΔ3 mRNA up to 2-fold in a cell differentiation-dependent manner suggesting that cell differentiation alters the composition or function of the NMD complex. In contrast, the mature 5-LO mRNA transcript was not affected by UPF knockdown. Thus, the data suggest that the coupling of alternative splicing and NMD is involved in the regulation of 5-LO gene expression.
5-Lipoxygenase (5-LO) catalyzes the two initial steps in the biosynthesis of leukotrienes, a group of inflammatory lipid mediators derived from arachidonic acid. Here, the regulation of 5-LO mRNA expression by alternative splicing and nonsense-mediated mRNA decay (NMD) was investigated. In the present study, the identification of two truncated transcripts and four novel 5-LO splice variants containing premature termination codons (PTC) was reported. The characterization of one of the splice variants, 5-LOΔ3, revealed that it is a target for NMD since knockdown of the NMD factors UPF1, UPF2 and UPF3b in the human monocytic cell line Mono Mac 6 (MM6) altered the expression of 5-LOΔ3 mRNA up to 2-fold in a cell differentiation-dependent manner suggesting that cell differentiation alters the composition or function of the NMD complex. In contrast, the mature 5-LO mRNA transcript was not affected by UPF knockdown. Thus, the data suggest that the coupling of alternative splicing and NMD is involved in the regulation of 5-LO gene expression.
RT-PCR analysis of different cell types revealed the existence of a large number of 5-LO splice variants. The most interesting splice variants were observed in BL41-E95A cells, which give a raise to novel 5-LO protein isoforms. This leads to the hypothesis of a novel regulatory mechanism in which the dimerization of 5-LO with 5-LO isoforms might regulate the 5-LO activity.
The 5-LO protein expression was reduced on translational level in UPF1 knock down cells, suggesting that UPF1 has a positive influence on 5-LO translation. Therefore, a mass spectrometry based proteomics study was started to identify compartment specific protein expression changes upon UPF1 knockdown in differentiated and undifferentiated MM6 cells. The proteomics analysis demonstrated that the knockdown of UPF1 results in numerous protein changes in the microsomal fraction (~ 21%) but not in the soluble fraction (< 1%). Western blot data confirmed the trend of the proteomics analysis. This data suggest that UPF1 is a critical gene expression regulator in a compartment specific way. During differentiation by TGFβ and calcitriol the majority of UPF1 regulated proteins was adjusted to normal level. It appears that that not only the NMD mechanism alters its composition during differentiation. Also the gene expression regulation on translational level by UPF1 seems to be also cell differentiation dependent. An interesting group of UPF1 target genes represent the downregulated proteins. qRT-PCR analysis of randomly chosen genes revealed no effect on mRNA expression upon UPF1 knockdown, suggesting that UPF1 positively influences the translation of these genes. Computational sequence analysis identified a conserved C-rich sequence which might be a hnRNP E2-binding site. hnRNP E2 has been characterized as a translational repressor in myeloid cells. Western blot analysis revealed a differentiation independent up regulation of hnRNP E2 by UPF1 knockdown. Additionally, microRNA-328 (miR-328) has been described as an RNA decoy modulating hnRNP E2 regulation. Due to this, stem loop qRT-PCR showed an up regulation of miR-328 in TGFβ and calcitriol differentiated MM6 cells. Based on this data we suggest a model in which downregulation of UPF1 increases hnRNP E2 expression, leading to translation inhibition. During differentiation, miRNA-328 is upregulated thereby competing with hnRNP E2 leading to an efficient translation
Inhibitors of Apoptosis Proteins (IAPs) are well-studied E3 ubiquitin ligases predominantly known for regulation of apoptosis. We uncovered that IAPs can function as a direct E3 ubiquitin ligase of RhoGTPase Rac1. cIAP1 and XIAP directly conjugate polyubiquitin chains to Lysine 147 of activated Rac1 and target it for proteasomal degradation. Consistently, loss of these IAPs by various strategies led to stabilization of Rac1 and mesenchymal mode of migration in tumor cells. IAPs also regulate Rac1 degradation upon RhoGDI1 depletion and CNF1 toxin treatment. Our observations revealed an evolutionarily conserved role of IAPs in regulating Rac1 stability shedding light on to the mechanisms behind ubiquitination–dependent inactivation of Rac1 signaling.
Inhibitors of Apoptosis Proteins (IAPs) are a class of highly conserved proteins predominantly known for the regulation of caspases and immune signaling. However, recent evidence suggests a crucial role for these molecules in the regulation of tumor cell shape and migration by controlling MAPK, NF-κB and Rho GTPases. IAPs directly control Rho GTPases, thus regulating cell shape and migration. For instance, XIAP and cIAP1 function as the direct E3 ubiquitin ligases of Rac1 and target it for proteasomal degradation. IAPs are differentially expressed in tumor cells and have been targeted by several cancer therapeutic drugs that are currently in clinical trials. Here, we summarize the current knowledge on the role of IAPs in the regulation of cell migration and discuss the possible implications of these observations in regulating tumor cell metastases.
By translocating proteasomal degradation products into the endoplasmic reticulum (ER) for loading of major histocompatibility complex (MHC) class I molecules, the ATP binding cassette (ABC) transporter associated with antigen processing (TAP) plays a pivotal role in the adaptive immunity against infected or malignantly transformed cells. A key question regarding the transport mechanism is how the inter-domain communication and conformational dynamics of the TAP complex are connected during the peptide transport. To identify residues involved in this processes, we evolved a Trojan horse strategy in which a small artificial protease is inserted into antigenic epitopes. After binding, the TAP backbone in contact is cleaved, allowing the peptide sensor site to be mapped by mass spectrometry. Within this study, the peptide sensor and transmission interface have been identified. This region aligns with the cytosolic loop 1 (CL1) of Sav1866 and MsbA. Based on a number of experimental data and the homology to the bacterial ABC exporter Sav1866, we constructed a 3D structural model of the core TAP complex. According to this model, the CL1 and CL2 of TAP1 are extended cytosolic loops connecting the transmembrane helices (TMH) 2 and 3, and TMH4 and 5 respectively, and contact both nucleotide binding domains (NBDs) of the opposite subunit. In contrast to exporters, the cytosolic loop (named L-loop) of BtuCD importer is much shorter, and contacts only one NBD. The data confirm that the CL1 of TAP1 functions as signal transducer in ABC exporters, because it does not interfere with substrate binding but with substrate transport. The peptide contact site identified herein is restructured during the ATP hydrolysis cycle. Importantly, TAP showed a structural change trapped in the ATP hydrolysis transition state, because direct contact between peptide and CL1 is abolished. By cysteine scanning, the most conserved residues within CL1 were identified, which disrupted the tight coupling between peptide binding and transport. Together with Val-288, these residues are essential in sensing the bound peptide and inter-domain signal transmission. To characterize the molecular architecture of CL1, a convenient and minimally perturbing approach was used, which combined cysteine substitution in the CL1 region and determination of accessibility to thiol specific compounds with different properties. These studies revealed that the N-terminal region of CL1 has a good accessibility for hydrophilic (iodoacetamidofluorescein, IAF) and amphiphilic probes (BODIPY maleimide, BM), whereas the C-terminal region is accessible for hydrophobic probe (coumarin maleimide, CM). Kinetic studies of fluorescence labeling suggest that this region displayed a different accessibility to probes when the protein undergoes distinct conformations (e. g. nucleotide free state), thereby reflecting conformational transitions. Fluorescence labeling with BM induces a lost of peptide transport, whereas the peptide binding remains unaffected. These results indicate that covalent modifications of the CL1 residues influenced the inter-domain communication between transmembrane domain (TMD) and NBD. The X-loop is a recently discovered motif in the NBD of ABC exporters, which stays in close contact to the CLs. Moreover, because the X-loop precedes the ABC signature motif, it probably responds to ATP binding and hydrolysis and may transmit conformational changes to the CLs. By substitution of the highly conserved Glu-602 of TAP2 with residues that have different chemical properties, it was shown for the first time that the X-loop is a functional important element, which plays an key role in coupling substrate binding to downstream events in the transport cycle. We further verified domain swapping in the TAP complex by cysteine cross-linking. The TAP complex can be reversibly arrested either in a binding or translocation incompetent state by cross-linking of the X-loop to CL1 or CL2, respectively. These results resolve the structural arrangement of the transmission interface and point to different functions of the cytosolic loops in substrate recognition, signaling and transport.
Ribosome recycling orchestrated by ABCE1 is a fundamental process in protein translation and mRNA surveillance, connecting termination with initiation. Beyond the plenitude of well-studied translational GTPases, ABCE1 is the only essential factor energized by ATP, delivering the energy for ribosome splitting via two nucleotide-binding sites by a yet unknown mechanism. Here, we define how allosterically coupled ATP binding and hydrolysis events in ABCE1 empower ribosome recycling. ATP occlusion in the low-turnover control site II promotes formation of the pre-splitting complex and facilitates ATP engagement in the high-turnover site I, which in turn drives the structural reorganization required for ribosome splitting. ATP hydrolysis and ensuing release of ABCE1 from the small subunit terminate the post-splitting complex. Thus, ABCE1 runs through an allosterically coupled cycle of closure and opening at both sites, consistent with a processive clamp model. This study delineates the inner mechanics of ABCE1 and reveals why various ABCE1 mutants lead to defects in cell homeostasis, growth, and differentiation.
Identifizierung des vertebraten-spezifischen Proteins C7orf43 als neue TRAPPII Komplexuntereinheit
(2016)
Bei den transport protein particle (TRAPP) Komplexen handelt es sich um eine Familie von Protein Komplexen, die jeweils aus mehreren Untereinheiten bestehen. In der vorliegenden Arbeit konnte das Protein C7orf43 als neue potenzielle TRAPPII Untereinheit identifiziert werden, die - wie auch die beiden anderen TRAPPII-spezifischen Komponenten TRAPPC9 und TRAPPC10 - sowohl für die Erhaltung von ERGIC, Golgi-Apparat und COPI Vesikel als für den ER zu Golgi Transportweg benötigt wird.
Protein-Protein Interaktionen der NADH: Ubichinon-Oxidoreduktase (Komplex I) aus Yarrowia lipolytica
(2010)
Protein-Protein Interaktionen der NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase (Kolmplex I) aus Y. lipolytica In der inneren Mitochondrienmembran sind die Atmungskettenkomplexe I bis IV und die ATP-Synthase lokalisiert. Parallel zum Elektronentransport werden Protonen von der NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase (Komplex I), der bihydrochinon:Cytochrom c-Oxidoreduktase (Komplex III) und der Cytochrom c-Oxidase (Komplex IV) über die Membran in den Intermembranraum gepumpt. Der resultierende chemiosmotische Gradient wird von der ATPase verwendet um ATP zu generieren. Die NADH:Ubichinon- xidoreduktase ist der Startpunkt des Elektronentransfers. Der Komplex I wurde in verschiedenen Organismen in Interaktion mit Komplex III und IV beobachtet. Diese funktionellen Einheiten werden als Respirasomen oder Superkomplexe bezeichnet (Pfeiffer und Schägger, 2000). Der Komplex I in prokaryotischen Zellen stellt die kleinstmögliche Variante dieses Enzyms dar. Da er in der Lage ist, alle bioenergetischen Reaktionen durchzuführen, werden die beteiligten 14 Untereinheiten als zentrale Untereinheiten bezeichnet (Fearnley et al. 1992). In den Eukaryoten findet sich ein Enzym, das je nach Organismus bis zu 31 weitere, sogenannte akzessorische Untereinheiten aufweist. Da diese Untereinheiten keine Homologie mit bakteriellen Proteinen aufweisen, wird davon ausgegangen, dass sie eher eine Funktion im Assemblierungsprozess ausüben als am Elektronentransfer oder der Translokation der Protonen beteiligt zu sein. Ziel dieser Arbeit war es daher mögliche Interaktionspartner des Komplex I oder weitere Untereinheiten zu finden. Für die Detektion möglicher Interakteure sollten neben einem Two-Hybrid-Screen noch weitere Methoden etabliert werden. Als Modellsystem wurde Yarrowia lipolytica verwendet. Unter Verwendung des BacterioMatchII® Systems konnte die mitochondriale Malat-Dehydrogenase, ein Enzym des Citrat-Zyklus, als ein Interaktionspartner des Komplex I gefunden werden. Bei der Reaktion entsteht NADH, das Energieäquivalent, welches dem Komplex I Elektronen liefert. Im Kontext des Substratchannelings deutet die Interaktion der mitochondrialen Malat- ehydrogenase auf hochgeordnete Stukturen im Matrixraum hin, die einen Transfermechanismus oder eine zielgerichtete Diffusion des NADH gewährleisten könnten. Durch die Kombination der Methoden Immunpräzipitation, Gelelektrophorese und MALDI-MS konnten erstmals Hinweise auf Superkomplexe in Y. lipolytica gefunden werden, was dann durch mehrdimensionale Gelelektrophorese bestätigt werden konnte. In dieser Arbeit konnten die Superkomplexe I1III2 ,I1III2IV1 und I1III2IV2 identifiziert werden. Ein vollständiges Respirasom mit einer Stöchiometrie von I1III2IV4 konnte nicht gezeigt werden. Desweiteren konnte die Anwesenheit eines Komplex I-Dimers nachgewiesen werden. In dem bisher postulierten Modell der respiratory strings werden die Superkomplexe durch tetramere Komplex IV-Module zu hochmolekularen Strukturen verknüpft (Wittig et al., 2006). Die detektierten Komplex I-Dimere lassen vermuten, dass sie zusammen mit dem tetrameren Komplex IV als Linker-Moleküle die Superkomplexe zu einem zweidimensionalen respiratory patch verbinden. Zudem konnte eine neue Untereinheit des Komplex I, genannt NEBM, durch das Zusammenspiel von LILBID- und MALDI-Massenspektrometrie und Gelelektophorese identifiziert werden. Durch MALDI-Massenspektrometrie wurde diese Untereinheit de novo sequenziert. Die Charakteristik des identifizierten Proteins entspricht den sogenannten single-transmembrane domain Untereinheiten (Brandt et al., 2005; Brandt 2006), die eventuell eine Funktion in der Assemblierung des Komplex I einnehmen könnten. Weder bei den Messungen der NADH:HAR- noch der dNADH:DBQ-Aktivität zeigte der Deletionsstamm enzymatisch aktiven Komplex I. Weder in blau-nativer Elektrophorese noch in silbergefärbten 2D SDS-Gelen war ein Komplex I noch ein Subkomplex sichtbar und auch In-Gel-Aktivitäts-Tests verliefen für die Detektion von Komplex I im Deletionsstamm negativ. Erst durch eine Western Blot Analyse konnte ein Subkomplex mit einer Größe von ca. 300kDa detektiert werden. Unter Berücksichtigung der für den Rinderkomplex vorgeschlagenen Einteilung des Komplex I in die Subkomplexe Iα und Iβ (Brandt et al. 2006) könnte der detektierte Subkomplex Iβ zugeordnet werden, da er zwei Untereinheiten beinhaltet, die diesem Komplex zuzuordnen sind. Die NEBM Untereinheit könnte also an der Assemblierung der NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase beteiligt sein. Erstmals konnten Superkomplexe in Y. lipolytica Mitochondrien nachgewiesen werden. Die Identifizierung der neuen NEBM Untereinheit vervollständigt die Kenntnisse über die Untereinheitenzusammensetzung. Das Wechselspiel mit anderen Proteinen und die Zusammensetzung des Komplexes können für die Strukturaufklärung und zur Analyse des Reaktionsmechanismus wichtig sein. Somit leisten diese Ergebnisse einen wichtigen Beitrag zur Charakterisierung der NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase aus Y. lipolytica.
In mitochondrial respiration, the soluble protein cytochrome c accepts an electron from the membrane bound cytochrome bc1. The interaction between cytochrome bc1 and cytochrome c is highly transient in nature, enabling turnover numbers greater than 160 s-1. Yeast cytochrome bc1 has been successfully crystallised with bound cytochrome c with the help of an antibody fragment (Lange and Hunte 2002; Solmaz and Hunte 2008). In all crystal structures of the complex, the homodimeric cytochrome bc1 binds only one cytochrome c, with the binding site located on subunit cytochrome c1. Univalent cytochrome c binding is correlated with conformational changes of the Rieske protein head domain and subunit QCR6p. The interface of the complex is small. The haem moieties are centrally located in a mainly non-polar contact site that includes a cation–! interaction and is surrounded by complementary charged residues. The crystal structure is in agreement with the general architecture of the interfaces of transient redox complexes and also reveals several interesting features unique to the cytochrome bc1. On the basis of the crystal structures, an extensive thermodynamic and kinetic characterisation of the interaction was carried out in this work to challenge the static snapshot of the bound proteins in the crystal structure as the relevant physiological electron transfer. The thermodynamic parameters of the interaction between the redox partners were determined using isothermal titration calorimetry (ITC). The association constant for cytochrome bc1 and cytochrome c in oxidised state under physiological ionic strength of 120 mM at 25 °C, was determined to be 5 " 103 M-1 by direct ITC titration. So, the partners interact with an affinity of 200 #M. In spite of the low affinity the complex has a life time ($ = 1/koff) of 5 #second, sufficiently long to enable the theoretically calculated electron transfer rates of 1.0 " 106 to 2.6 " 107 s%1 with a lifetime ($ = 1/rate) of 1-0.04 μseconds and experimentally determined rate of 7.7 " 104 s%1 with a lifetime of 13 μseconds. The low affinity makes it difficult to ascertain the stoichiometry of binding. The enthalpy of the interaction is endothermic, which is consistent with the nature of an interface where hydrophobic interactions are dominant. The enthalpy and entropy is 3.6 kJmol-1 and 83 kJmol-1K-1, respectively. The importance of key interface residues was also investigated. The role of the interface residue G89 of cytochrome c which might have a role in the dissociation of the complex has been probed by site-directed mutagenesis. The interface contains a cation-! interaction between F230 of cytochrome bc1 and R19 of cytochrome c, which is thought to provide the specificity to the interaction between the otherwise promiscuous partners. To analyse the role of this interaction pair in electron transfer, F230L and F230W mutants were used to measure direct electron transfer rates by flash photolysis and steady state kinetics. The findings indicate that another ! system can work as functional substitution of F230, while deleting the ! system has a deleterious effect on the complex formation. The inability of F230L to achieve the transient and steady state turnover rates as wild type protein indicates a scenario where the variant achieves an altered bound state with inefficient electron transfer pathways and higher edge-to-edge distance. The role of supernumerary subunit QCR6p in complex formation was investigated by steady state kinetics measurements. Subunit QCR6p does not interact directly with cytochrome c but is positioned in such a way that it could electrostatically steer cytochrome c in a reactive ensemble. The highly acidic and disordered N-terminus of QCR6p could interact with a patch of conserved lysine residues on cytochrome c. The role of subunit QCR6p has been assessed using QCR6p deleted cytochrome bc1 and a lysine variant of cytochrome c. The results show that QCR6p not only affects the kinetics of the interaction but is also important for the stability of cytochrome bc1. The kinetic and thermodynamic data obtained during this study provide evidence for the functional importance of non-catalytic cytochrome bc1 subunit QCR6p, show that the entropy driven interaction is indeed of low affinity and highly transient in nature and indicate that the interface is well suited to ensure the high turnover of the electron transfer chain where cytochrome c interacts with multiple partners using overlapping interfaces. The suggested role of the cation-! interaction as a highly specific interaction has been validated.
High-resolution NMR structure of an RNA model system : the 14-mer cUUCGg tetraloop hairpin RNA
(2009)
We present a high-resolution nuclear magnetic resonance (NMR) solution structure of a 14-mer RNA hairpin capped by cUUCGg tetraloop. This short and very stable RNA presents an important model system for the study of RNA structure and dynamics using NMR spectroscopy, molecular dynamics (MD) simulations and RNA force-field development. The extraordinary high precision of the structure (root mean square deviation of 0.3 Å) could be achieved by measuring and incorporating all currently accessible NMR parameters, including distances derived from nuclear Overhauser effect (NOE) intensities, torsion-angle dependent homonuclear and heteronuclear scalar coupling constants, projection-angle-dependent cross-correlated relaxation rates and residual dipolar couplings. The structure calculations were performed with the program CNS using the ARIA setup and protocols. The structure quality was further improved by a final refinement in explicit water using OPLS force field parameters for non-bonded interactions and charges. In addition, the 2'-hydroxyl groups have been assigned and their conformation has been analyzed based on NOE contacts. The structure currently defines a benchmark for the precision and accuracy amenable to RNA structure determination by NMR spectroscopy. Here, we discuss the impact of various NMR restraints on structure quality and discuss in detail the dynamics of this system as previously determined.
Die Untersuchung von RNA mittels NMR-Spektroskopie hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen, weil die Zahl der neu entdeckten RNA-Funktionen, wie z.B. RNA-Schalter in Bakterien, stark gestiegen ist. Ziel dieser Arbeit war es, mithilfe der NMR-Spektroskopie einen Beitrag zum besseren Verständnis der biochemischen Prozesse, in die RNA-Moleküle involviert sein können, zu leisten.
Im ersten Teil dieser Arbeit (Kapitel 2, 3 und 4) werden zum einen die Entwicklung neuer Methoden für die RNA-Strukturbestimmung vorgestellt und zum anderen die Leistungsfähigkeit der modernen NMR-spektroskopischen Strukturaufklärung demonstriert.
Im zweiten Teil dieser Arbeit (Kapitel 5) wird die NMR-Spektroskopie zur Untersuchung der RNA-Schalter-Funktion eingesetzt. Die biologische Funktion von RNA oder Proteinen setzt oftmals eine dynamische Struktur voraus und involviert Konformationsänderungen infolge biochemischer Signalweiterleitung. Für die Charakterisierung solcher Prozesse eignet sich die NMR-Spektroskopie insbesondere gut, weil sie in Lösung unter verschiedenen Reaktionsbedingungen angewandt wer-den kann. Durch den direkten NMR-spektroskopischen Nachweis von Basenpaarungen können wichtige strukturelle Eigenschaften (Faltung, Strukturhomogenität und Dynamik) entschlüsselt und in einen Zusammenhang mit der Funktion gebracht werden.
Im Folgenden werden die einzelnen Kapitel vorgestellt.
Nachdem das erste Kapitel eine allgemeine Einleitung in die NMR-Spektroskopie, RNA-Struktur und Funktion der RNA-Schalter darstellt, folgt im Kapitel 2 die Einführung einer neuen Methode, die eine quantitative Bestimmung der Torsionswinkel alpha und zeta in RNA/DNA mittels NMR-Spektroskopie ermöglicht (Abb. 1). Sie basiert auf der Wechselwirkung zwischen dem CH-Dipol und der 31P-CSA, die von der relativen Orientierung abhängig ist. Die Methode wurde für die CH- und CH2-Gruppen in Form von zwei Pulssequenzen (2D- und 3D-G-HCP) zur Messung von insgesamt fünf kreuz-korrelierten Relaxationsraten entlang des RNA/DNA-Rückgrats optimiert. Die Funktionsfähigkeit der Methode wurde zunächst an der 14mer cUUCGg-Tetraloop RNA getestet und zur Bestimmung der Torsionswinkel alpha und zeta genutzt. Die Ergebnisse flossen in die Strukturrechnung der 14mer RNA, die im Kapitel 3 vorgestellt wird, mit ein. Des Weiteren gelang es die Anwendbarkeit der Experimente an einer größeren 27mer RNA zu demonstrieren. Die neue Methode ist deswegen von Bedeutung, weil die Winkel alpha und zeta nicht über 3J-Kopplungskonstanten gemessen werden können.
(Nozinovic, S., Richter, C., Rinnenthal, J., Fürtig, B., Duchardt-Ferner, E., Weigand, J. E., Schwalbe, H. (2010), J. Am. Chem. Soc. 132, 10318-10329.)
Im Kapitel 3 wird die NMR-spektroskopische Bestimmung der Struktur einer Model-RNA, der 14mer cUUCGg-Tetraloop RNA, vorgestellt. Die Strukturrechung wurde mit verschiedenen NMR-Datensätzen, die in der Arbeitsgruppe einschließlich dieser Doktorarbeit gesammelt wurden, durchgeführt. Zusammen mit den Ergebnissen aus dem Kapitel 2 konnte eine sehr präzise Struktur mit einem RMSD von 0,37 Å (20 Strukturen) in sehr guter Übereinstimmung mit experimentellen Daten ermittelt werden. Die gerechnete Struktur repräsentiert eine der gegenwärtig genauesten und umfassendsten Strukturbestimmungen einer RNA, bei der jeder Torsionswinkel quantitativ bestimmt wurde. Einen besonderen Höhepunkt stellt die strukturelle Analyse der 2’OH-Gruppen dar, die im anschließenden Kapitel 4 weiter vertieft wurde.
(Nozinovic, S., Fürtig, B., Jonker, H. R. A., Richter, C., Schwalbe, H. (2010), Nucleic Acids Res. 38, 683-694)
Über Jahre war bekannt, dass die Größe der 1J(C1’,H1’)- und 1J(C2’,H2’)-Kopplungskonstanten innerhalb der Ribonukleotide von der lokalen Struktur des Zuckers und der Orientierung der Nukleobase beeinflusst wird. In dieser Arbeit (Kapitel 4) wurde zum ersten Mal ein systematischer Vergleich zwischen NMR-Messungen und DFT-Rechnungen durchgeführt, der eine eindeutige Zuordnung der Hauptkonformationen des Zuckers (C3’- oder C2’-endo) und der Nukleobase (anti oder syn) anhand der 1J(C,H)-Kopplungskonstanten erlaubt. Die beschriebene Methode wurde an einer größeren 27mer RNA erfolgreich erprobt. Weiterhin wurde erstmalig entdeckt, dass zudem die Orientierung der 2’OH-Gruppe einen signifikanten Einfluss auf die 1J(C,H)-Kopplungen hat (Abb. 3). Mithilfe von NMR-Messungen und DFT-Rechnungen konnte aus 1J(C,H)-Kopplungskonstanten die Orientierung von allen 2’OH-Gruppen in der 14mer cUUCGg-Tetraloop RNA bestimmt werden. Die Methode hat den großen Vorteil, dass 2’OH-Gruppen, die aufgrund des schnellen Austauschs mit Wasser oder D2O keine NMR-Signale liefern, analysiert werden kön-nen.
(Nozinovic, S., Gupta, P., Fürtig, B., Richter, C., Tüllmann, S., Duchardt-Ferner, E., Holthausen, M. C., Schwalbe, H. (2011), Angew. Chem. Int. Ed. 50, 5397-5400)
Im Kapitel 5 wird eine NMR-spektroskopische Untersuchung an der Aptamerdomäne des Adenin-bindenden RNA-Schalters (pbuE) vorgestellt. Im Fokus der Forschung stand die Frage: Welchen Einfluss hat die Länge der P1-Helix auf die Struktur und die Ligandbindung der freien Aptamer-domäne?
Durch den Vergleich von zwei Konstrukten mit unterschiedlich langer P1-Helix war es möglich, intrinsische Scherkräfte, die durch die Ausbildung der P1-Helix in der freien Aptamerdomäne entstehen, festzustellen. Es hat sich im Konstrukt mit der verlängerten P1-Helix gezeigt, dass diese zur Destabilisierung der P3-Helix und des Schlaufenkontakts führen. Diese strukturellen Änderungen haben außerdem zur Folge, dass die Bindungsstärke des Liganden reduziert wird. Die Ergebnisse zeigen, dass ein strukturelles Gleichgewicht zwischen Sekundärstrukturelementen die tertiäre Faltung beeinflusst und die Funktion moduliert.
(Nozinovic, S., Reining, A., Noeske, J., Wöhnert, J., Schwalbe, H. (2011), in Vorbereitung)
The N-terminal domain (matrix protein or MA) of a retroviral Gag polyprotein precursor plays a critical role in several stages of the retrovirus life cycle. MA is involved in the effective membrane targeting, assembly and release of the immature viral particles from the infected cell. In order to understand the structural basis of these functions, the full length MA from Moloney Murine Leukemia Virus (MoMuLV) was purified and the solution structure of the MA MoMuLV was determined by means of heteronuclear high-resolution NMR spectroscopy and compared with that of the X-ray diffraction analysis as well as with the structures of several MA proteins from geterologous viruses. Structural features were also obtained from CD spectroscopy, dynamic light scattering, sedimentation velocity, differential scanning calorimetry and other methods. It was found that the MA MoMuLV globular core (residues 8-98) is comprised of 7 well-defined helices (five alpha-helices and two 310 helices), with the general fold typical for MA proteins from other retroviral species. The N-terminus (residues Met1-Leu7) and the C-terminal proline-rich part (residues Pro103-Tyr131) are not structured in solution. Although MA MoMuLV has a low sequence identity compared with other matrix proteins for which the three-dimensional structure is known, it was shown that its overall topology and pattern of secondary structural units is similar to other retroviral matrix proteins. The monomeric state is observed for the correctly folded MA MoMuLV in a variety of external conditions and protein concentrations, indicating that virion assembly starts with the plasma membrane targeting of the nascent Gag precursor. The denaturation of MA MoMuLV is irreversible and is connected with protein aggregation. For Moloney Murine Leukemia Virus (MoMuLV) a proteolytic processing of the R-peptide (last 16 amino acids from the C-terminus of the Envelope protein (Env)) has been described as a second mode of fusion and activation preceding the receptor contact between the viral particle and the cellular membrane. An interaction between the R-peptide and MA MoMuLV has been proposed, since the R-peptide and MA are localized at the inner part of the membrane. Therefore the interaction between 15N labelled purified MA MoMuLV and synthesized R-peptide has been investigated using high-resolution NMR. It was found that in water solution MA MoMuLV and R-peptide do not form a tight complex, but in a mature virion in the presence of membranes or other protein factors it might be possible. In the case of HIV-1 the cytoplasmic part (EnvC) of the Env protein is much longer than in other retroviruses and again as for MoMuLV little is known about the interaction between EnvC and HIV MA. Hence, the full length HIV MA, and the last 150 amino acids from HIV Env have been subcloned with suitable expression vectors, purified and analysed by native gel electrophoresis, a pull down assay and by high resolution NMR for the purpose to detect the complex formation of EnvC and HIV MA. Finally, after all those experiments, it was found that a stable complex is not formed, but a weak interaction between the two proteins can not be excluded.
In the title Grignard reagent, [MgBr(C12H9)(C5H10O)2], the Mg centre adopts a distorted tetrahedral MgCO2Br arrangement. The dihedral angle between the two aromatic rings of the biphenyl residue is 44.00 (14)°. Each molecule incorporates one R- and one S-configured 2-methyltetrahydrofuran molecule. Key indicators: single-crystal X-ray study; T = 173 K; mean σ(C–C) = 0.007 Å; R factor = 0.045; wR factor = 0.108; data-to-parameter ratio = 17.4.
Metal-ion binding and metal-ion induced folding of the adenine-sensing riboswitch aptamer domain
(2007)
Divalent cations are important in the folding and stabilization of complex RNA structures. The adenine-sensing riboswitch controls the expression of mRNAs for proteins involved in purine metabolism by directly sensing intracellular adenine levels. Adenine binds with high affinity and specificity to the ligand binding or aptamer domain of the adenine-sensing riboswitch. The X-ray structure of this domain in complex with adenine revealed an intricate RNA-fold consisting of a three-helix junction stabilized by long-range base-pairing interactions and identified five binding sites for hexahydrated Mg2+-ions. Furthermore, a role for Mg2+-ions in the ligand-induced folding of this RNA was suggested. Here, we describe the interaction of divalent cations with the RNA–adenine complex in solution as studied by high-resolution NMR spectroscopy. Paramagnetic line broadening, chemical shift mapping and intermolecular nuclear Overhauser effects (NOEs) indicate the presence of at least three binding sites for divalent cations. Two of them are similar to those in the X-ray structure. The third site, which is important for the folding of this RNA, has not been observed previously. The ligand-free state of the RNA is conformationally heterogeneous and contains base-pairing patterns detrimental to ligand binding in the absence of Mg2+, but becomes partially pre-organized for ligand binding in the presence of Mg2+. Compared to the highly similar guanine-sensing riboswitch, the folding pathway for the adenine-sensing riboswitch aptamer domain is more complex and the influence of Mg2+ is more pronounced.
Riboswitches are highly structured elements in the 50-untranslated regions (50-UTRs) of messenger RNA that control gene expression by specifically binding to small metabolite molecules. They consist of an aptamer domain responsible for ligand binding and an expression platform. Ligand binding in the aptamer domain leads to conformational changes in the expression platform that result in transcription termination or abolish ribosome binding. The guanine riboswitch binds with high-specificity to guanine and hypoxanthine and is among the smallest riboswitches described so far. The X-ray-structure of its aptamer domain in complex with guanine/ hypoxanthine reveals an intricate RNA-fold consisting of a three-helix junction stabilized by longrange base pairing interactions. We analyzed the conformational transitions of the aptamer domain induced by binding of hypoxanthine using highresolution NMR-spectroscopy in solution. We found that the long-range base pairing interactions are already present in the free RNA and preorganize its global fold. The ligand binding core region is lacking hydrogen bonding interactions and therefore likely to be unstructured in the absence of ligand. Mg2+-ions are not essential for ligand binding and do not change the structure of the RNA-ligand complex but stabilize the structure at elevated temperatures. We identified a mutant RNA where the long-range base pairing interactions are disrupted in the free form of the RNA but form upon ligand binding in an Mg2+-dependent fashion. The tertiary interaction motif is stable outside the riboswitch context.
Jeder Mensch kämpft täglich erfolgreich mit Krankheitserregern, ohne dass er sich der komplexen molekularen Vorgänge dabei bewusst wäre. Wie in einem Hollywood-Streifen geht es rasant zur Sache. Ist das Immunsystem angeschlagen oder trifft es auf starke Gegner, kann eine Infektion binnen weniger Tage außer Kontrolle geraten und lebensbedrohliche Reaktionen hervorrufen. Der menschliche Organismus benötigt eine effiziente Verteidigungsstrategie gegen die Eindringlinge und muss, ebenso wie der britische Geheimdienst im Bond-Film, in die Ausbildung geübter Agenten investieren, Agenten mit Doppel-Null-Status. Agenten wie James Bond.
Prion diseases, also called transmissible spongiform encephalopathies, are a group of fatal neurodegenerative conditions that affect humans and a wide variety of animals. To date there is no therapeutic or prophylactic approach against prion diseases available. The causative infectious agent is the prion, also termed PrPSc, which is a pathological conformer of a cellular protein named prion protein PrPc. Prions are thought to multiply upon conversion of PrPc to PrPSc in a self-propagating manner. Immunotherapeutic strategies directed against PrPc represent a possible approach in preventing or curing prion diseases. Accordingly, it was already shown in animal models, that passive immunization delays the onset of prion diseases. The present thesis aimed at the development of a candidate vaccine towards the active immunization against prion diseases, an immune response, which has to be accompanied by the circumvention of host tolerance to the self-antigen PrPc. The vaccine development was approached using virus-like particles (retroparticles) derived from either the murine leukemia (MLV) or the human immunodeficiency virus (HIV). The display of PrP on the surface of such particles was addressed for both the cellular and the pathogenic form of PrP. The display of PrPc was achieved by either fusion to the transmembrane domain of the platelet derived growth factor receptor (PDGFR) or to the N-terminal part of the viral envelope protein (Env). In both cases, the corresponding PrPD- and PrPE-retroparticles were successfully produced and analyzed via immune fluorescence, Western Blot analysis, immunogold electron microscopy as well as by ELISA methods. Both, PrPD- and PrPE-retroparticles showed effective incorporation of N-terminally truncated forms of PrPc but not for the complete protein. PrPc at this revealed the typical glycosylation pattern, which was specifically removed by a glycosidase enzyme. Upon display of PrPc on retroparticles the protein remained detectable by PrP-specific antibodies under native conditions. Electron microscopy analysis of PrPc-variants revealed no alteration of the characteristic retroviral morphology of the generated particles. MLV-derived PrPD-retroparticles were successfully used in immunization studies. Contrary to approaches using bacterially expressed PrPc, the immunization of mice resulted in a specific antibody response. The display of the pathogenic isoform was aimed by two different strategies. The first one was directed at the conversion of the proteinase K (PK) sensitive from of PrP on the surface of PrPD-retroparticles into the PK resistant form. Albeit specific adaption of the PK digestion assay detecting resistant PrP, no PrP conversion was observed for PrPD-retroparticles. The second approach utilized a replication competent variant of the ecotropic MLV displaying PrPc on the viral Env protein. This MLV variant was stable in cell culture for six passages but did not replicate on scrapie-infected, PrPSc-propagating neuroblastoma cells. Thus, besides PrPc-displaying virus-like particles a replication competent MLV variant was obtained, which stably incorporated PrPc at the N-terminus of the viral Env protein. The incorporation of the cell-surface located PrPc into particles was expected from previously obtained data on protein display in the context of retrovirus-derived particles. Thus, the lack of incorporation observed for the complete PrPc sequence was rather unexpected and was found to be inhibited at both, fusion to PDGFR and the viral Env. In contrast to N-terminally truncated PrPc, the complete PrPc was shown to exhibit increased cell surface internalization rates and half-life times eventually contributing to the observed results. The PrP-vaccination approach described in this work represents the first successful system inducing PrP-specific antibody responses against the prion protein in wt mice. Explanations at this are based on the induction of specific T cell help or effects of the innate immunity, respectively. MLV-and HIV-derived particles bearing the PrP-coding sequence or being replication competent variants generated during this thesis might help to further improve the PrP-specific immune response.
The title compound, C15H14N2O4, is an important intermediate for the synthesis of thermotropic liquid crystals. The dihedral angle between the two aromatic rings is 84.29 (4)°. An N-H...O hydrogen bond connects the molecules into chains running along the b axis. In addition, the crystal packing is stabilized by weak C-H...O hydrogen bonds. Key indicators: single-crystal X-ray study; T = 173 K; mean σ(C–C) = 0.002 Å; R factor = 0.036; wR factor = 0.096; data-to-parameter ratio = 14.3.
Das Ziel dieser Arbeit war es, RNA-Strukturen als potentielle Zielstrukturen für die Medikamentenentwicklung zu untersuchen. Hierbei ging es im Speziellen um die Anwendung Virtueller Screening Verfahren für die RNA-Liganden-Vorhersage. Hierzu wurde die als TAR-Motiv (transactivating response element) bekannte RNA-Struktur der mRNAs des HI-Virus ausgewählt. Diese Struktur wurde gewählt, da mit den vier PDB-Einträgen 1ANR, 1ARJ, 1LVJ und 1QD3 bereits experimentell motivierte Strukturmodelle zum Beginn der Untersuchung vorlagen. Ausschlaggebend war hierbei auch das Vorhandensein eines Tat-TAR-FRET-Assays im Rahmen des SFB 579, in welchem diese Arbeit angefertigt wurde. Die Aufmerksamkeit, welche dem HI-Virus im Rahmen der Bekämpfung der Immunschwächekrankheit bereits zukam, führte bei dem gewählten Testmodell ebenfalls zu einem, wenn auch immer noch überschaubaren Datensatz bereits getesteter Substanzen, der als Grundlage für einen Liganden-basierten Ansatz als erste Basis dienen konnte. Basierend auf diesen Voruntersuchungen ergaben sich die weiteren Schritte dieser Arbeit. Die Arbeit lässt sich zusammenfassend in vier zum Teil parallel verlaufende Phasen einteilen: Phase 1:Bestandsaufnahme bekannter Informationen über die Zielstruktur · experimentell bestimmte Zielstrukturen · experimentell bestimmte Liganden/Nichtliganden der Zielstruktur Phase 2: Ableiten eines ligandenbasierten Ansatzes zur Vorhersage von potentiellen Bindern der Zielstruktur aus Substanzbibliotheken, der nicht auf Strukturdaten der Zielstruktur beruht. Phase 3: Analyse der bekannten Konformere der Zielstruktur auf konstante Angriffspunkte für ein spezielles Liganden-Design. Phase 4: Einbinden der bekannten Strukturinformationen der Zielstruktur zur weiteren Verfeinerung der Auswahlverfahren neuer Kandidaten für die weitere experimentelle Bestimmung des Bindeverhaltens. Im Rahmen dieser Arbeit konnten mittels der Anwendung von künstlichen neuronalen Netzen in einem ligandenbasierten Ansatz durch virtuelles Screening der Chemikalien-Datenbanken verschiedener Lieferanten fünf neue potentielle TAR-RNA-Liganden identifiziert werden (drei davon mit einem Methylenaminoguanidyl-Substrukturmotiv), sowie als „Spin-Off“ durch die Anwendung der ursprünglich nur für den Tat-TAR-FRET-Assay vorgesehenen Testsubstanzen in einem Kooperationsprojekt (mittels CFivTT-Assay) zwei neue potentiell antibakterielle Verbindungen identifiziert werden. Die Beschäftigung mit der offensichtlichen Flexibilität der TAR-RNA und damit einer nicht eindeutig zu definierenden Referenz-Zielstruktur für das Liganden-Docking führte zur Erstellung eines Software-Pakets, mit dem flexible Zielstrukturen – basierend auf den Konformer-Datensätzen von MD-Simulationen – auf konstante Angriffspunkte untersucht werden können. Hierbei wurde ausgehend von der Integration eines Taschenvorhersage-Programms (PocketPicker) eine Reihe von Filtern implementiert, die auf den hierzu in einer MySQL-Datenbank abgelegten Strukturinformationen eine Einschränkung des möglichen Taschenraums für das zukünftige Liganden-Design automatisiert vornehmen können. Des Weiteren ermöglicht dieser Ansatz einen einfachen Zugriff auf die einzelnen Konformere und die Möglichkeit Annotationen zu den Konformeren und den daraus abgeleiteten Tascheninformationen hinzuzufügen, so dass diese Informationen für die Erstellung von Liganden-Docking-Versuchen verwendet werden können. Ferner wurden im Rahmen dieser Arbeit ein neuer Deskriptor für die Beschreibung von Taschenoberflächen eingeführt: der auf der „Skalierungs-Index-Methode“ basierende molekulare SIMPrint. Die Beschäftigung mit der Verteilung der potentiellen Bindetaschen auf der Oberfläche der Konformerensemble führte ferner zur Definition der Taschenoberflächenbildungswahrscheinlichkeit (Pocket Surface Generation Probability – PSGP) für einzelne Atome einer Zielstruktur, die tendenziell für die Einschätzung der Ausbildung einer potentiell langlebigen Interaktion eines Liganden mit der Zielstruktur herangezogen werden kann, um beispielsweise Docking-Posen zu bewerten.
Although intrinsically disordered proteins or protein domains (IDPs or IDD) are less abundant in bacteria than in eukaryotes, their presence in pathogenic bacterial proteins is important for protein-protein interactions. The protein tyrosine kinase A (PtkA) from Mycobacterium tuberculosis possesses an 80-residue disordered region (IDDPtkA ) of unknown function, located N-terminally to the well-folded kinase core domain. Here, we characterize the conformation of IDDPtkA under varying biophysical conditions and phosphorylation using NMR-spectroscopy. Our results confirm that the N-terminal domain of PtkA exists as an IDD at physiological pH. Furthermore, phosphorylation of IDDPtkA increases the activity of PtkA. Our findings will complement future approaches in understanding molecular mechanisms of key proteins in pathogenic virulence.
Fest ins Genom integrierte und durch Vererbung (vertikal) weitergegebene endogene Retroviren stellen ein Risiko im Rahmen einer therapeutischen Übertragung von tierischen Zellen, Geweben oder Organen auf den Menschen dar. Bei Verwendung der als Spender bevorzugten Schweine sind zwei Klassen von C-Typ-Retroviren (PERV) bekannt, die zumindest in vitro humane Zellen infizieren können. Deshalb sind eine molekulare Kenntnis und eine genetische bzw. immunologische Kontrolle dieser Viren zur Vermeidung einer potentiellen Infektion von Xenotranplantat-empfängern wünschenswert. Die Analyse einer genomischen Bibliothek des "large white"-Schweins führte zur Charakterisierung von vier nativen proviralen Vollängensequenzen, von denen drei in der Lage sind, auf humanen Zellen zu replizieren, während ein Provirus zwei Stop- Mutationen im Polymerase-Gen trägt. Die Klone PERV-A(Bac-130A12), PERVA( Bac-151B10) und PERV-A(Bac-463H12) gehören zur Klasse A, der Klon PERVB( Bac-192B9) wird der Klasse B zugeordnet. Alle vier Klone weisen hohe Homologien zu bereits beschriebenen Sequenzen (Czauderna et al., 2000; Krach et al., 2001) auf, sind mit diesen jedoch nicht identisch. Die Bestimmung der flankierenden genomischen Sequenzen ermöglicht den spezifischen Nachweis der Proviren in genomischer DNA und zeigt, daß die vom "large white"-Schwein abgeleiteten Sequenzen zur Untersuchung verschiedener Schweinerassen geeignet sind. Desweiteren konnte gezeigt werden, daß die im Klon PERV-B(Bac-192B9) beobachteten Punktmutationen in einigen der untersuchten Individuen revertiert sind. Die Untersuchung von 86 einzelnen Proben aus 5 verschiedenen Rassen zeigt eine sehr heterogene Verteilung der PERV und würde damit eine Züchtung (in Bezug auf replikationskompetente Viren) PERV-freier Schweine ermöglichen. Dies erübrigt sich aber durch die Tatsache, das Miniaturschweine des d/d-Haplotyps für die getesteten Proviren bereits negativ sind. Faßt man die vier hier und die in der Literatur beschriebenen Proviren (Czauderna et al., 2000; Krach et al., 2001) zusammen, scheinen von den etwa 30-50 Integrationsorten im porcinen Genom (LeTissier et al., 1997; Patience et al., 1997) zwischen sechs und zehn replikations-kompetente Proviren zu enthalten. Für den Fall, daß bei einer XTx Partikel freigesetzt werden, geben die Versuche mit den Pseudotypvektoren Hinweise darauf, daß eine Infektion schon nach wenigen Minuten stattfinden kann und damit auch nach einer raschen Entfernung des Organs persistieren könnte. Diese freigesetzten Partikel lassen sich aber durch Antikörper neutralisieren, so daß es möglich erscheint, Patienten sowie deren Ärzte und Kontaktpersonen zu impfen, um einer potentiellen Infektion vorzubeugen. Darüber hinaus scheinen die phylogenetisch jüngeren Viren mit der "repeat"-losen LTR die Fähigkeit verloren zu haben, xenotrop Zellen zu infizieren, da Proviren mit dieser LTR-Struktur weder aus einer 293-PERV-PK-Bibliothek isoliert werden konnten (Czauderna et al., 2000), noch konnten solche Elemente in genomischer DNA dieser Zellinie nachgewiesen werden. Mit der Untersuchung des Infektionsverhaltens von PERV und durch die Möglichkeit, in der XTx verwendete Schweine auf die Präsenz replikations-kompetenter PERV hin zu testen und die chromosomal lokalisierten Proviren eventuell durch Züchtung zu entfernen, leistet die vorliegende Arbeit einen Beitrag dazu, zukünftige Xenotransplantationen in virologischer Hinsicht sicherer zu machen.
P2X receptors are ligand (ATP)-gated ion channels that open an intrinsic cation permeable pathway in response to extracellular ATP released from both neuronal and non-neuronal cells. P2X receptors are abundantly distributed and mediate a wide variety of physiological functions, ranging from fast synaptic transmission in the central, peripheral, and enteric nervous system, to proinflammatory cytokine release from immune cells. The primary aim of this work was to elucidate the pathway that leads to the finally assembled trimeric P2X receptors, including the assessment of a possible role of ER chaperones and folding factors in this process. Additionally, the study was conducted to investigate the various ER quality control processes involved in the selection of “properly folded and assembled” P2X receptors that are suitable for the surface expression.
RNA not only translates the genetic code into proteins, but also carries out important cellular functions. Understanding such functions requires knowledge of the structure and dynamics at atomic resolution. Almost half of the published RNA structures have been solved by nuclear magnetic resonance (NMR). However, as a result of severe resonance overlap and low proton density, high-resolution RNA structures are rarely obtained from nuclear Overhauser enhancement (NOE) data alone. Instead, additional semi-empirical restraints and labor-intensive techniques are required for structural averages, while there are only a few experimentally derived ensembles representing dynamics. Here we show that our exact NOE (eNOE) based structure determination protocol is able to define a 14-mer UUCG tetraloop structure at high resolution without other restraints. Additionally, we use eNOEs to calculate a two-state structure, which samples its conformational space. The protocol may open an avenue to obtain high-resolution structures of small RNA of unprecedented accuracy with moderate experimental efforts.
Although often depicted as rigid structures, proteins are highly dynamic systems, whose motions are essential to their functions. Despite this, it is difficult to investigate protein dynamics due to the rapid timescale at which they sample their conformational space, leading most NMR-determined structures to represent only an averaged snapshot of the dynamic picture. While NMR relaxation measurements can help to determine local dynamics, it is difficult to detect translational or concerted motion, and only recently have significant advances been made to make it possible to acquire a more holistic representation of the dynamics and structural landscapes of proteins. Here, we briefly revisit our most recent progress in the theory and use of exact nuclear Overhauser enhancements (eNOEs) for the calculation of structural ensembles that describe their conformational space. New developments are primarily targeted at increasing the number and improving the quality of extracted eNOE distance restraints, such that the multi-state structure calculation can be applied to proteins of higher molecular weights. We then review the implications of the exact NOE to the protein dynamics and function of cyclophilin A and the WW domain of Pin1, and finally discuss our current research and future directions.
Ziel dieser Arbeit war die Aufklärung lichtinduzierter Strukturänderungen verschiedener photoschaltbarer Moleküle durch zeitaufgelöste Infrarotspektroskopie. Hierzu war es notwendig, eine komplexe Messapparatur zu konzipieren, aufzubauen und zu optimieren. Das entwickelte Anreg-/Abtast-Experiment ermöglicht die Messung kleinster transienter Absorptionsänderungen (delta A<1E-5) im Spektralbereich von 1000 cm^-1 bis 2500 cm^-1 mit einer Zeitauflösung von etwa 0,3 ps. Es können Anregungspulse im Bereich von 258nm bis über 600nm generiert werden. Über ein computergesteuertes Wellenplättchen kann die Polarisation des Anregungslichtes während der Datenaufnahme variiert werden, was eine Auswertung hinsichtlich der molekularen Anisotropie ermöglicht. Die eingesetzten Probenzellen gestatten die Untersuchung geringster Probenmengen (V <20µL) bei Temperaturen bis zu 50°C. Nitrophenylacetat (NPA) wurde hinsichtlich seiner Photodecarboxylierungsreaktion untersucht. Für alle drei Konstitutionsisomere konnte nachgewiesen werden, dass die Freisetzung von CO2 innerhalb von 1 ns erfolgt. Es zeigen sich signifikante Unterschiede zwischen den Reaktionsverläufen der drei Konstitutionen, wobei die erhaltenen Amplituden der Photoproduktspektren mit den bekannten Decarboxylierungsquantenausbeuten korrelieren. Die globale Analyse ergibt einen multiexponentiellen Aufbau des CO2-Signals. Im Fall von meta- und para-NPA erfolgt die Abspaltung von CO2 über einen dominanten Zerfallskanal mit einer Zeitkonstante von t~200 ps. Quantenchemische Rechnungen legen nahe, dass dieser Hauptreaktionspfad über den Triplettzustand verläuft. Bei ortho- NPA wird dieser Zerfallskanal effektiv gequencht, was mit einer schnellen Deaktivierung des angeregten Singulettzustandes durch einen intramolekularen Protonentransfer erklärt wird. Nach diesen Messungen steht fest, dass meta-Nitrophenylacetat hervorragend als caged compound für CO2 geeignet ist. Die Primärdynamik von solubilisiertem Proteorhodopsin (PR) in D2O wurde im infraroten und sichtbaren Spektralbereich sowohl bei saurem als auch bei alkalischem pD-Wert untersucht. Dies erlaubt den direkten Vergleich der in beiden Spektralbereichen gemessenen Daten. Der primäre Protonenaktzeptor Asp97 liegt dabei entweder protoniert (pD=6,4) oder deprotoniert (pD=9,2) vor. Die transienten vis-Absorptionsspektren ergaben, wie bei PR in H2O, einen biexponentiellen Zerfall des angeregten Zustands und die gleichzeitige Bildung des PRK-Photoproduktes. Die Abweichung der bei PR in D2O ermittelten Werte von den publizierten Zeitkonstanten der H2O-Messung wird als kinetischer Isoptopeneffekt interpretiert. Dieser variiert mit dem pD-Wert, was auf Unterschiede der Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerke in der Retinalumgebung hinweist. Die Signaturen der transienten Infrarotspektren werden den C=C- und C=N-Moden des Retinals sowie der Amid I-Mode des Proteins zugeordnet. Es konnte ebenfalls die Bildung des PRK-Produktes nachgewiesen werden, wobei die Isomerisierungsquantenausbeute des Retinals unabhängig von der Protonierung von Asp97 ist. Die im IR bestimmten Zeitkonstanten sind dabei unabhängig vom pD-Wert und weichen von den im Sichtbaren ermittelten Werten ab. Dieser Befund wird mit dem Einfluss der molekularen Temperatur auf die transienten IR-Spektren und dem Auftreten von Kühlprozessen erklärt. Zusätzlich zum Wildtyp-Protein wurde die PR-D97N-Mutante als Modellsystem für PR im sauren pH-Bereich ebenfalls im vis- und IR-Bereich untersucht. Die dabei erzielten Ergebnisse stehen im Einklang mit den bisherigen Ausführungen. Der geringe kinetische Isotopeneffekt weist auf ein ähnliches Wasserstoffbrückennetzwerk wie beim Wildtyp unter sauren Bedingungen hin. Als letztes wurde ein synthetisches Modellcollagen untersucht. Die Seitenkettenverbrückung der Peptidsequenz mit einem Azobenzol-basierten, künstlichen Photoschalter sollte eine lichtinduzierte Entfaltung der Tertiärstruktur ermöglichen. Der isolierte Photoschalter und die gekoppelte Sequenz wurden zunächst unter Gleichgewichtsbedingungen sowohl im UV/vis- als auch im IR -Bereich umfangreich spektroskopisch charakterisiert. Diese Messdaten lagen zum großen Teil bereits vor und wurden in dieser Arbeit einer detaillierten Auswertung unterzogen. Für den isolierten Schalter konnte im IR-Bereich eine umfassende Bandenzuordnung erstellt werden. Dabei wird im photostationären Gleichgewicht eine reversible trans-> cis-Isomerisierung festgestellt, welche keine Temperaturabhängigkeit aufweist. Darüberhinaus wurden polarisationsabhängige, transiente IR-Spektren des isolierten Azoschalters für die trans->cis- und die cis->trans-Isomerisierungsrichtung aufgenommen. Die instantan auftretenden, markanten Differenzsignale können den Amid I- und Amid II-Moden der im Schalter enthaltenen Peptidbindungen sowie den Phenylmoden zugeordnet werden. Die extrahierten kinetischen Parameter sind für beide Isomere nahezu identisch, was durch einen dominanten Beitrag molekularer Kühlprozesse erklärt werden kann. Aufgrund der geringen Isomerisierungsquantenausbeute (< 10 %) können die Differenzspektren der photostationären Gleichgewichte nicht in den Produktspektren dieser Messungen reproduziert werden. Hinsichtlich der ermittelten Anisotropieparameter ergeben sich kleine Unterschiede zwischen beiden Datensätzen. Zusammen mit theoretischen Modellierungen werden diese in Zukunft genauere Aussagen über die Strukturen der Isomere erlauben. Die UV/vis-Absorptionsspektren des gekoppelten Systems zeigen, dass die Absorptionsbanden des Azoschalters durch die Kopplung an das Collagen nicht signifikant beeinflusst werden. Im IR-Absorptionsspektrum konnten wichtige Amid I-, Amid II- und Amid II0-Banden des Azoschalters und der Peptidsequenz sowie eine große Anzahl weiterer Banden zugeordnet werden. Temperaturabhängige Absolut- und Differenzspektren im UV/vis- und IR-Bereich zeigen eine irreversible thermische Denaturierung der Collagentripelhelix ab etwa 50°C. Das verwendete, deuterierte Lösungsmittelgemisch führt zu einem H/D-Austausch. Anhand der Amid II-Bande der in der tripelhelikalen Struktur geschützten Glycine kann die Existenz der Collagenstruktur und ihre Entfaltung nachgewiesen werden. Die Amplituden der photostationären Differenzspektren sind jedoch kleiner als beim isolierten Schalter, was auf eine verringerte Isomerisierungsquantenausbeute hinweist. Die bei Erwärmung beobachtete Vergrößerung der Differenzsignale wird mit einer effizienteren Isomerisierung nach dem Aufschmelzen der Tripelhelix erklärt. Für die trans->cis-Isomerisierungsrichtung wurden transiente IR-Spektren des Azocollagens bei unterschiedlichen Temperaturen aufgenommen. Alle instantan auftretenden Differenzsignale können auf die Schwingungsmoden des Azoschalters zurückgeführt werden. Bei einer Temperatur von 50°C lässt sich ein Einfluss der Peptidsequenz auf die transienten Spektren nicht nachweisen, was mit einer aufgeschmolzenen Tertiärstruktur im Einklang ist. Hingegen wird bei 20°C das Ausbleichen von Amid I-Schwingungsbanden der Peptidsequenz beobachtet, was eindeutig einen Energietransfer auf diese Moden zeigt. Bei 35°C sind die Bleichsignale des Collagens in diesem Bereich bereits deutlich abgeschwächt. Die transienten Spektren des isolierten Azoschalters besitzen keine derartige Temperaturabhängigkeit.
Es werden allgemeine Gleichungen zur Berechnung der Verteilung der Nullstellen von der großen kanonischen Verteilungsfunktion Ξ (y) eines Gittergases in der komplexen Ebene der Fugazität y in Bethescher Näherung angegeben, die nach einem graphischen Verfahren gelöst werden können. Für das zweidimensionale, quadratische Gitter und das dreidimensionale, kubische Gitter werden die Bestimmungsgleichungen für die Nullstellenverteilung mit Hilfe des graphischen Verfahrens explizit gelöst. Die Nullstellenverteilung von Ξ (y) des eindimensionalen Gittergases wird in geschlossener Form angegeben.
The cooperative problem for a lattice gas on a plane, square lattice and on a simple cubic lattice is solved by a system of two coupled, transcendental equations, derived by a combinatorial method, which describes a homogeneous or periodical particle density on the lattice as a function of the temperature and the chemical potential of the lattice-gas.
For the particle interaction a Hard-Core potential (nearest neighbour exclusion) with a soft long-range tail is assumed. The zero-component of the Fourier-transform of this long-range interaction part can be positive or negative.
The system of transcendental equations is solved by a graphic method. As a result, the complete pressure-density state diagram and the pressure-temperature phase diagram can be drawn.
The lattice-gas exists in three stable phases: gas, liquid and solid. Three phase changes are possible: condensation, crystallization and sublimation.
Critical points of condensation and freezing are examined. The number of possible phases and phase changes at a fixed temperature depends on the geometric structure of the particle interaction.
In a previous study, EphB4 was demonstrated to be a positive regulator of A375-melanoma growth but a negative regulator of tumor vascularization and perfusion. To distinguish between EphB4 forward and ephrinB2 reverse signaling, we used the commercially available EphB4 kinase inhibitor NVP-BHG712 (NVP), which was later identified as its regioisomer NVPiso. Since there have been reported significant differences between the inhibition profiles of NVP and NVPiso, we compared the influence of NVP and NVPiso on tumor characteristics under the same experimental conditions. Despite the different inhibitory profiles of NVP and NVPiso, the comparative study conducted here showed the same EphB4-induced effects in vivo as in the previous investigation. This confirmed the conclusion that EphB4-ephrinB2 reverse signaling is responsible for increased tumor growth as well as decreased tumor vascularization and perfusion. These results are further substantiated by microarrays showing differences between mock-transfected and EphB4-transfected (A375-EphB4) cells with respect to at least 9 angiogenesis-related proteins. Decreased expression of vascular endothelial growth factor (VEGF), angiotensin 1 (Ang-1), and protein kinase B (Akt/PKB), together with the increased expression of tissue inhibitor of metalloproteinase-1 (TIMP-1) and transforming growth factor beta-2 (TGF-β2), is consistent with the impaired vascularization of A375-EphB4 xenografts. Functional overexpression of EphB4 in A375-EphB4 cells was confirmed by activation of a variety of signaling pathways, including the Janus kinase/signal transducers and activators of transcription (JAK/STAT), rat sarcoma virus/rapidly accelerated fibrosarcoma/mitogen activated protein kinase kinase (Ras/Raf/MEK), and nuclear factor kappa-B (NFkB) pathways.
In der vorliegenden Arbeit wurden die Struktur und die Dynamik von Oligosacchariden und DNAs untersucht. Bezogen auf Oligosaccharide wurde die Struktur von Raffinose und Saccharose mittels dipolarer Kopplungen präzisiert. Des weiteren wurde ein N–Glykan isoliert und chemisch modifiziert. An diesem N–Glykan wurde eine chemische Modifikation mit einer Tyrosin–Boc–Schutzgruppe durchgeführt, so dass das Glykan keine Mutarotation mehr zeigt, wodurch es möglich wurde, dipolare Kopplungen zu messen, die für Strukturrechnungen eingesetzt werden können; verschiedene Orientierungsmedien wurden ausprobiert. Des weiteren wurde das N–Glykan über einen Biphenyllinker an einen paramagnetischen Tag gekoppelt, wodurch ebenfalls eine Vorzugsorientierung im Magnetfeld erreicht wird. Bezogen auf die DNAs wurden vor allem Rhodamin–markierte DNA–Duplexe untersucht. Die verwendeten Farbstoffe sind Tetramethylrodamin und Rhodamin 6G. Die Modifikation befand sich stets am 5’–Ende. Hierbei wurde gefunden, dass der Farbstoff haupsächlich als quasi weiteres Basenpaar auf der DNA aufliegt. Für diesen gestackten Farbstoff wurden, abhängig von der Sequenz, entweder zwei oder vier mögliche Konformationen gefunden. Bei den Sequenzen, bei denen der Farbstoff nur in zwei Konformation vorliegt, wurden Strukturrechnungen durchgeführt. Zudem zeigte sich in den NMR–Spektren aller Sequenzen eine deutliche Dimerisierung, die temperatur-, farbstoff– und sequenzabhängig ist. Weiterhin wurde eine konzentrationsabhängige Dynamik gefunden. Die aus den NMR–Messungen erhaltenen Ergebnisse wurden mit Resultaten aus Fluoreszenzmessungen verglichen, wobei sich eine hervorragende Übereinstimmung zeigte. Des weiteren wurde die Struktur von DNA–Duplexen untersucht, die mit dem Fluoreszenzfarbstoff 9–Amino–6–chloro–2–methoxyacridin (ACMA) modifiziert worden sind. Hierbei handelt es sich nicht um eine endständige Modifikation, sondern um eine interne Modifikation. Auch hier wurden verschiedene Sequenzen untersucht. Bei allen Sequenzen interkalierte das ACMA. Mit einer Sequenz wurde eine Strukturrechnung durchgeführt. Als Gegenbase zum ACMA wurde in allen betrachteten Sequenzen ein Adenin gewählt. Strukturell wurde gefunden, dass die Gegenbase durch die Interkalation des ACMAs mit der DNA eine extrahelikale Position einnimmt. Es wurde auch versucht, dipolare Kopplungen zu messen. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Orientierungsmedien ausprobiert. Ebenfalls probiert wurde, dipolare Kopplungen durch das Autoalignment der DNA im Magnetfeld zu erhalten. Auch im Falle der mit ACMA markierten DNA wurden die NMR–spektroskopischen Ergebnisse mit den Ergebnissen aus Fluoreszenzmessungen verglichen, wobei sich ebenfalls eine gute Übereinstimmung zeigte. Ferner wurden NMR–spektroskopische Untersuchungen an mit nichtnatürlichen Nukleinsäuren modifizierten DNAs durchgeführt. Als nichtnatürliche Nukleinsäuren wurden Inosin, 2–Aminopurin, Deazaadenin, Deazaguanin sowie Bromoguanin verwendet. Die NMR–spektroskopischen Messungen wurden erfolgreich durchgeführt. Um die erhaltenen Daten abschließend interpretieren zu können, sind noch DFT–Rechnungen erforderlich, die im Rahmen einer anderen Dissertation durchgeführt werden.
The p53 family of transcription factors (p53, p63 and p73) covers a wide range of functions critical for development, homeostasis and health of mammals across their lifespan. Beside the well-established tumor suppressor role, recent evidence has highlighted novel non-oncogenic functions exerted by p73. In particular, p73 is required for multiciliated cell (MCC) differentiation; MCCs have critical roles in brain and airways to move fluids across epithelial surfaces and to transport germ cells in the reproductive tract. This novel function of p73 provides a unifying cellular mechanism for the disparate inflammatory and immunological phenotypes of p73-deficient mice. Indeed, mice with Trp73 deficiency suffer from hydrocephalus, sterility and chronic respiratory tract infections due to profound defects in ciliogenesis and complete loss of mucociliary clearance since MCCs are essential for cleaning airways from inhaled pollutants, pathogens and allergens. Cross-species genomic analyses and functional rescue experiments identify TAp73 as the master transcriptional integrator of ciliogenesis, upstream of previously known central nodes. In addition, TAp73 shows a significant ability to regulate cellular metabolism and energy production through direct transcriptional regulation of several metabolic enzymes, such as glutaminase-2 and glucose-6 phosphate dehydrogenase. This recently uncovered role of TAp73 in the regulation of cellular metabolism strongly affects oxidative balance, thus potentially influencing all the biological aspects associated with p73 function, including development, homeostasis and cancer. Although through different mechanisms, p63 isoforms also contribute to regulation of cellular metabolism, thus indicating a common route used by all family members to control cell fate. At the structural level, the complexity of p73's function is further enhanced by its ability to form heterotetramers with some p63 isoforms, thus indicating the existence of an intrafamily crosstalk that determines the global outcome of p53 family function. In this review, we have tried to summarize all the recent evidence that have emerged on the novel non-oncogenic roles of p73, in an attempt to provide a unified view of the complex function of this gene within its family.
The thermal decomposition of 1,2-diadamantyldioxetane was studied by kinetic and spectroscopic methods. Spectra of the chemiluminescence emitted during the thermally induced decomposition of 1,2-diadamantyldioxetane, tetramethyldioxetane and trimethyldioxetane were obtained and the influence of quenchers and radical-scavengers, and the presence of "heavy atoms" in the surrounding of the emitting species was investigated. The kinetics of the decay mechanism was followed by measuring the time dependence of the chemiluminescence. The influence of radical-scavengers, quenchers and "external heavy atoms" on the kinetics was assessed. Experimental results were discussed in terms of a biradical decay mechanism.
Diadamantyldioxetane, trim ethyldioxetane and tetram ethyldioxetane were photolyzed b y light of A > 260 nm . The spectral distribution o f the quanta emitted during photoinduced decom position of dioxatenes was found to be different from fluorescence and phosphorescence o f ketones. Flash photolysis experim ents showed the absorption of an short-lived interm ediate. It was concluded, therefore, that photolysis o fdioxetanes is not a concerted process but involves at least one precursor o f the final product ketone.
Flightless-I governs cell fate by recruiting the SUMO isopeptidase SENP3 to distinct HOX genes
(2017)
Background: Despite recent studies on the role of ubiquitin-related SUMO modifier in cell fate decisions, our understanding on precise molecular mechanisms of these processes is limited. Previously, we established that the SUMO isopeptidase SENP3 regulates chromatin assembly of the MLL1/2 histone methyltransferase complex at distinct HOX genes, including the osteogenic master regulator DLX3. A comprehensive mechanism that regulates SENP3 transcriptional function was not understood.
Results: Here, we identified flightless-I homolog (FLII), a member of the gelsolin family of actin-remodeling proteins, as a novel regulator of SENP3. We demonstrate that FLII is associated with SENP3 and the MLL1/2 complex. We further show that FLII determines SENP3 recruitment and MLL1/2 complex assembly on the DLX3 gene. Consequently, FLII is indispensible for H3K4 methylation and proper loading of active RNA polymerase II at this gene locus. Most importantly, FLII-mediated SENP3 regulation governs osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells.
Conclusion: Altogether, these data reveal a crucial functional interconnection of FLII with the sumoylation machinery that converges on epigenetic regulation and cell fate determination.
In the title compound, C27H20F6N2O2, the dihedral angles between the planes of the aromatic rings connected by the ether O atoms are 84.13 (8) and 75.06 (9)°. The crystal structure is stabilized by N-H...O and N-H...F hydrogen bonds. Key indicators: single-crystal X-ray study; T = 173 K; mean σ(C–C) = 0.004 Å; R factor = 0.037; wR factor = 0.088; data-to-parameter ratio = 8.2.
In the title compound, C27H16F6N2O6, the nitro groups are almost coplanar with the aromatic rings to which they are attached [dihedral angles = 3.5 (5) and 6.2 (3)°]. The dihedral angles between adjacent aromatic rings are 78.07 (8) and 71.11 (8)° for nitrophenyl/phenyl and 69.50 (8)° for phenyl/phenyl. An intermolecular C-H...[pi] interaction seems to be effective in the stabilization of the structure. Key indicators: single-crystal X-ray study; T = 173 K; mean σ(C–C) = 0.004 Å; R factor = 0.045; wR factor = 0.092; data-to-parameter ratio = 12.5.
Background: After induction of DNA double strand breaks (DSBs), the DNA damage response (DDR) is activated. One of the earliest events in DDR is the phosphorylation of serine 139 on the histone variant H2AX (gH2AX) catalyzed by phosphatidylinositol 3-kinases-related kinases. Despite being extensively studied, H2AX distribution[1] across the genome and gH2AX spreading around DSBs sites[2] in the context of different chromatin compaction states or transcription are yet to be fully elucidated.
Materials and methods: gH2AX was induced in human hepatocellular carcinoma cells (HepG2) by exposure to 10 Gy X-rays (250 kV, 16 mA). Samples were incubated 0.5, 3 or 24 hours post irradiation to investigate early, intermediate and late stages of DDR, respectively. Chromatin immunoprecipitation was performed to select H2AX, H3 and gH2AX-enriched chromatin fractions. Chromatin-associated DNA was then sequenced by Illumina ChIP-Seq platform. HepG2 gene expression and histone modification (H3K36me3, H3K9me3) ChIP-Seq profiles were retrieved from Gene Expression Omnibus (accession numbers GSE30240 and GSE26386, respectively).
Results: First, we combined G/C usage, gene content, gene expression or histone modification profiles (H3K36me3, H3K9me3) to define genomic compartments characterized by different chromatin compaction states or transcriptional activity. Next, we investigated H3, H2AX and gH2AX distributions in such defined compartments before and after exposure to ionizing radiation (IR) to study DNA repair kinetics during DDR. Our sequencing results indicate that H2AX distribution followed H3 occupancy and, thus, the nucleosome pattern. The highest H2AX and H3 enrichment was observed in transcriptionally active compartments (euchromatin) while the lowest was found in low G/C and gene-poor compartments (heterochromatin). Under physiological conditions, the body of highly and moderately transcribed genes was devoid of gH2AX, despite presenting high H2AX levels. gH2AX accumulation was observed in 5’ or 3’ flanking regions, instead. The same genes showed a prompt gH2AX accumulation during the early stage of DDR which then decreased over time as DDR proceeded.
Finally, during the late stage of DDR the residual gH2AX signal was entirely retained in heterochromatic compartments. At this stage, euchromatic compartments were completely devoid of gH2AX despite presenting high levels of non-phosphorylated H2AX.
Conclusions: We show that gH2AX distribution ultimately depends on H2AX occupancy, the latter following H3 occupancy and, thus, nucleosome pattern. Both H2AX and H3 levels were higher in actively transcribed compartments. However, gH2AX levels were remarkably low over the body of actively transcribed genes suggesting that transcription levels antagonize gH2AX spreading. Moreover, repair processes did not take place uniformly across the genome; rather, DNA repair was affected by genomic location and transcriptional activity. We propose that higher H2AX density in euchromaticcompartments results in high relative gH2AXconcentration soon after the activation of DDR, thus favoring the recruitment of the DNA repair machinery to those compartments. When the damage is repaired and gH2AX is removed, its residual fraction is retained in the heterochromatic compartments which are then targeted and repaired at later times.
Untersuchung von Rezeptor-Ligand-Komplexen mittels organischer Synthese und NMR-Spektroskopie
(2008)
Viele biologische Prozesse basieren auf der spezifischen Bindung eines Liganden an einen Rezeptor. Die Wechselwirkung zwischen dem Rezeptor und seinem Ligand kann im Wesentlichen durch zwei verschiedene Modelle beschrieben werden: zum einen das vom E. Fischer eingeführte Schlüssel-Schloss-Prinzip und zum anderen das von Koshland beschriebene "induced-fit-model". Bei dem Schlüssel-Schloss-Prinzip liegt der Ligand in der Bindetasche des Rezeptors wie ein Schlüssel im Schloss. Ganz anders hierzu setzt die induzierte Anpassung ("induced-fit-model") eine konformationelle Änderung des Proteins durch den Liganden für die Bindung voraus. Ändern sich jedoch die Konformationen von Substrat und Rezeptor in einer gegenseitigen Beeinflussung, dann spricht man von "double-induced-fitmodel". Die Untersuchung dieser Erkennung auf molekularer Ebene ist von großer Wichtigkeit, denn sie dient zum besseren Verständnis und damit auch zur gezielten Beeinflussung solcher Prozesse. Wie wird der Ligand von einem Rezeptor selektiv erkannt und gebunden? Für die Erkennung und Bindung spielen spezifische nichtkovalente Wechselwirkungen eine wichtige Rolle. Zum Repertoire der nichtkovalenten Wechselwirkungen gehören die elektrostatische Wechselwirkungen, die Wasserstoffbrückenbindung und der hydrophobe Effekt.
In der vorliegenden Arbeit werden anhand von drei ausgewählten Beispielen solche Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Liganden mit ihrem Rezeptor untersucht. In den ersten beiden Kapiteln werden Proteine und im letzten Kapitel RNA als Rezeptor untersucht. Die einzelnen Kapitel beginnen jeweils mit einer kurzen Einführung der Rezeptoren und der dazugehörenden Liganden, schließlich wird dann die Rezeptor-Ligand-Wechselwirkung beschrieben. Als Rezeptor wurden in der vorliegenden Arbeit Proteine (Kinasen und Membranproteine) und strukturierten Elemente der RNA (Aptamerdomäne der purinbindenden Riboswitche und der SELEX-RNA) gewählt. Membranproteine der Atmungskette, Kinasen und Riboswitches stellen zusätzlich attraktive Rezeptoren für das Wirkstoffdesign dar. Die damit interferierenden Liganden umfassen Substrate, Cofaktoren, Metabolite und Inhibitoren. Die Untersuchung der Wechselwirkung erfolgte mittels NMR-Spektroskopie und organischer Synthese.
The development of super-resolution microscopy (SRM) has widened our understanding of biomolecular structure and function in biological materials. Imaging multiple targets within a single area would elucidate their spatial localization relative to the cell matrix and neighboring biomolecules, revealing multi-protein macromolecular structures and their functional co-dependencies. SRM methods are, however, limited to the number of suitable fluorophores that can be imaged during a single acquisition as well as the loss of antigens during antibody washing and restaining for organic dye multiplexing. We report the visualization of multiple protein targets within the pre- and postsynapse in 350–400 nm thick neuronal tissue sections using DNA-assisted single-molecule localization microscopy (SMLM). In a single labeling step, antibodies conjugated with short DNA oligonucleotides visualized multiple targets by sequential exchange of fluorophore-labeled complementary oligonucleotides present in the imaging buffer. This approach avoids potential effects on structural integrity when using multiple rounds of immunolabeling and eliminates chromatic aberration, because all targets are imaged using a single excitation laser wavelength. This method proved robust for multi-target imaging in semi-thin tissue sections with a lateral resolution better than 25 nm, paving the way toward structural cell biology with single-molecule SRM.
The development of super-resolution microscopy (SRM) has widened our understanding of biomolecular structure and function in biological materials. Imaging multiple targets within a single area would elucidate their spatial localization relative to the cell matrix and neighboring biomolecules, revealing multi-protein macromolecular structures and their functional co-dependencies. SRM methods are, however, limited to the number of suitable fluorophores that can be imaged during a single acquisition as well as the loss of antigens during antibody washing and restaining for organic dye multiplexing. We report the visualization of multiple protein targets within the pre- and postsynapse in 350-400 nm thick neuronal tissue sections using DNA-assisted single-molecule localization microscopy. Using antibodies labeled with short DNA oligonucleotides, multiple targets are visualized successively by sequential exchange of fluorophore-labeled complementary oligonucleotides present in the imaging buffer. The structural integrity of the tissue is maintained owing to only a single labelling step during sample preparation. Multiple targets are imaged using a single laser wavelength, minimizing chromatic aberration. This method proved robust for multi-target imaging in semi-thin tissue sections, paving the way towards structural cell biology with single-molecule super-resolution microscopy.
DNA points accumulation for imaging in nanoscale topography (DNA-PAINT) is a super-resolution technique with relatively easy-to-implement multi-target imaging. However, image acquisition is slow as sufficient statistical data has to be generated from spatio-temporally isolated single emitters. Here, we trained the neural network (NN) DeepSTORM to predict fluorophore positions from high emitter density DNA-PAINT data. This achieves image acquisition in one minute. We demonstrate multi-color super-resolution imaging of structure-conserved semi-thin neuronal tissue and imaging of large samples. This improvement can be integrated into any single-molecule microscope and enables fast single-molecule super-resolution microscopy.
2-Aminopyrimidinium picrate
(2008)
The geometric parameters of the title compound, C4H6N3+·C6H2N3O7-, are in the usual ranges. While two nitro groups are almost coplanar with the aromatic picrate ring [dihedral angles 3.0 (2) and 4.4 (3)°], the third is significantly twisted out of this plane [dihedral angle 46.47 (8)°]. Anions and cations are connected via N-H...O hydrogen bonds. The molecules crystallize in planes parallel to (1\overline{2}1). Key indicators: single-crystal X-ray study; T = 173 K; mean σ(C–C) = 0.002 Å; R factor = 0.036; wR factor = 0.099; data-to-parameter ratio = 10.9.
Macrophages ingesting apoptotic cells attenuate inflammatory responses, such as reactive oxygen species (ROS) generation. In atherosclerosis, ongoing inflammation and accumulation of apoptotic/necrotic material are observed, suggesting defects of phagocytes in recognizing or responding to dying cells. Modified lipoproteins such as oxidized LDL (oxLDL) are known to promote inflammation and to interfere with apoptotic cell clearance. Here, we studied the impact of cells exposed to oxLDL on their ability to interfere with the oxidative burst in phagocytes. In contrast to apoptotic cells, cells dying in response to or in the presence of oxLDL failed to suppress ROS generation despite efficiently being taken up by phagocytes. In addition, apoptotic cells, but not oxLDL-treated cells, inhibited phosphorylation of extracellular signal-regulated kinase, which is important for NADPH oxidase activation. oxLDL treatment did not interfere with activation of the antiinflammatory transcriptional regulator peroxisome proliferator-activated receptor gamma by apoptotic cells. Moreover, cells exposed to oxLDL failed to suppress lipopolysaccharide- induced proinflammatory cytokine expression, whereas apoptotic cells attenuated these phagocyte responses. Thus, the presence of oxLDL during cell death impaired the ability of apoptotic cells to act antiinflammatory with regard to oxidative burst inhibition and cytokine expression in phagocytes.
Development and implementation of novel optogenetic tools in the nematode Caenorhabditis elegans
(2016)
Optogenetics, though still only a decade old field, has revolutionized research in neurobiology. It comprises of methods that allow control of neural activity by light in a minimally-invasive, spatio-temporally precise and genetically targeted manner. The optogenetic actuators or the genetically encoded light sensitive elements mediate light driven manipulation of membrane potential, intracellular signalling, neuronal network activity and behaviour (Fenno et al. 2011; Dugué et al. 2012). These techniques have been particularly useful for dissecting neural circuits and behaviour in the transparent and genetically amenable nematode model system Caenorhabditis elegans (Husson et al. 2013; Fang-yen et al. 2015).
In fact, C. elegans was the first living organism in which microbial rhodopsin based optogenetic tools (Channelrhodopsin-2 or ChR2, and Halorhodopsin or NpHR) were successfully implemented and bimodal 'remote' control of behaviour was achieved (Nagel et al. 2005; Zhang et al. 2007). Since then it has been a prominent model for the development and application of novel optogenetic tools and techniques, especially in the nervous system which comprises of 302 neurons and is organised in a hierarchical organization. The environmental stimuli are sensed by the sensory neurons, leading to the processing of information by the downstream interneurons, that relay to motor neurons which in-turn synapse onto muscles that drive the movement-based responses.
The microbial rhodopsins like ChR2 and NpHR mediate light driven depolarization and hyperpolarization, respectively and thereby activate or inhibit neural activity. However, they do not allow local control of membrane potential as they are expressed all over the plasma membrane of the cell rather than being restricted to specific domains, for example synaptic sites. Moreover, they completely over-ride the intrinsic activity of the cell, completely bypassing the signal transduction processes inside the cell. Thus, in order to study intracellular signalling and to answer questions pertaining to the endogenous role of receptors and channels in an in-vivo context, the optogenetic tool-kit needs to be expanded.
This thesis aimed at developing and implementing novel optogenetic tools in C. elegans that allow for sub-cellular signalling control as well as endogenous receptor control. These are: two light activated guanylyl cyclases (bPGC and BeCyclOp) to modify cyclic guanosine monophosphate (cGMP) mediated signalling in the sensory neurons, as well as attempts towards rendering endogenous C. elegans receptors - glutamate receptor (GLR-3/-6), acetylcholine receptor (ACR-16), glutamate gated chloride channel (GLC-1) light switchable and to understand their biological function in-vivo.
Organisms respond to sensory cues by activation of a primary receptor followed by relay of information downstream to effector targets by secondary signalling molecules. cGMP is a widely used 2nd messenger in cellular signaling, acting via protein kinase G or cyclic nucleotide gated (CNG) channels. In sensory neurons, cGMP allows for signal modulation and amplification, before depolarization. Chemo-, thermo-, and oxygen-sensation in C. elegans involve sensory neurons that use cGMP as the main 2nd messenger. For example, ASJ is the pheromone sensing neuron regulating larval development, AWC is the chemosensory neuron responding to volatile odours and BAG senses oxygen and carbon dioxide in the environment. In these neurons, cGMP acts downstream of the GPCRs and functions by activating cationic TAX-2/-4 CNG channels, thereby depolarising the sensory neuron. Manipulating cGMP levels is required to access signalling between sensation and sensory neuron depolarization, thereby provide insights into signal encoding. We achieve this by implementing two photo-activatable guanylyl cyclases - 1) a mutated version of Beggiatoa sp. bacterial light-activated adenylyl cyclase, with specificity for GTP (Ryu et al. 2010), termed BlgC or bPGC (Beggiatoa photoactivated guanylyl cyclase) and 2) guanylyl cyclase rhodopsin (Avelar et al. 2014) from Blastocladiella emersonii (BeCyclOp).
bPGC is a BLUF (blue light sensing using flavin) domain containing cyclase which uses FAD as the co-factor and catalyses the synthesis of cGMP from GTP upon activation by blue light. Prior to implementation in sensory neurons, a simpler heterologous system with co-expression of the TAX-2/-4 CNG channel in C. elegans body wall muscle (BWM) was used. The cGMP generated by the light activated cyclases activates the CNG channel leading to the muscle depolarization, thereby causing changes in body length which can be easily scored.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung inter- und intramolekularer Wechselwirkungen in Molekülkristallen, Ausgangspunkt sind die Kristallisation und Strukturbestimmung ausgewählter Modellverbindungen. Die einzelnen Fragestellungen werden durch geeignete Kombinationen sich ergänzender Analysenmethoden, umfangreichen Datenbank-Recherchen und quantenchemischen sowie Atompotential-Berechnungen zu beantworten versucht.
The degradation of the poly(A) tail is crucial for posttranscriptional gene regulation and for quality control of mRNA. Poly(A)-specific ribonuclease (PARN) is one of the major mammalian 3’ specific exo-ribonucleases involved in the degradation of the mRNA poly(A) tail, and it is also involved in the regulation of translation in early embryonic development. The interaction between PARN and the m7GpppG cap of mRNA plays a key role in stimulating the rate of deadenylation. Here we report the solution structures of the cap-binding domain of mouse PARN with and without the m7GpppG cap analog. The structure of the cap-binding domain adopts the RNA recognition motif (RRM) with a characteristic a-helical extension at its C-terminus, which covers the b-sheet surface (hereafter referred to as PARN RRM). In the complex structure of PARN RRM with the cap analog, the base of the N7-methyl guanosine (m7G) of the cap analog stacks with the solvent-exposed aromatic side chain of the distinctive tryptophan residue 468, located at the C-terminal end of the second b-strand. These unique structural features in PARN RRM reveal a novel cap-binding mode, which is distinct from the nucleotide recognition mode of the canonical RRM domains.
The lipid content of skin plays a determinant role in its barrier function with a particularly important role attributed to linoleic acid and its derivatives. Here we explored the consequences of interfering with the soluble epoxide hydrolase (sEH) on skin homeostasis. sEH; which converts fatty acid epoxides generated by cytochrome P450 enzymes to their corresponding diols, was largely restricted to the epidermis which was enriched in sEH-generated diols. Global deletion of the sEH increased levels of epoxides, including the linoleic acid-derived epoxide; 12,13-epoxyoctadecenoic acid (12,13-EpOME), and increased basal keratinocyte proliferation. sEH deletion (sEH-/- mice) resulted in thicker differentiated spinous and corneocyte layers compared to wild-type mice, a hyperkeratosis phenotype that was reproduced in wild-type mice treated with a sEH inhibitor. sEH deletion made the skin sensitive to inflammation and sEH-/- mice developed thicker imiquimod-induced psoriasis plaques than the control group and were more prone to inflammation triggered by mechanical stress with pronounced infiltration and activation of neutrophils as well as vascular leak and increased 12,13-EpOME and leukotriene (LT) B4 levels. Topical treatment of LTB4 antagonist after stripping successfully inhibited inflammation and neutrophil infiltration both in wild type and sEH-/- skin. While 12,13-EpoME had no effect on the trans-endothelial migration of neutrophils, like LTB4, it effectively induced neutrophil adhesion and activation. These observations indicate that while the increased accumulation of neutrophils in sEH-deficient skin could be attributed to the increase in LTB4 levels, both 12,13-EpOME and LTB4 contribute to neutrophil activation. Our observations identify a protective role of the sEH in the skin and should be taken into account when designing future clinical trials with sEH inhibitors.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurden Lewis-Säure-katalysierte Friedel-Crafts-Alkylierungen unter Verwendung von Bismut(III)-Salzen als Katalysator untersucht. Bismut(III)-Salze haben gegenüber vielen anderen Metallsalzen den Vorteil, dass sie ungiftig, luftstabil und preiswert sind. In der Regel werden bei der Friedel-Crafts-Alkylierung überstöchiometrische Mengen einer Lewis-Säure wie AlCl3 benötigt und insbesondere Alkylchloride als Reaktionspartner eingesetzt, was eine hohe Menge unerwünschter Abfallprodukte zur Folge hat. Der Einsatz katalytischer Mengen Bi(OTf)3 und die Verwendung von Benzylalkoholen als elektrophile Reaktionspartner beheben diesen gravierenden Nachteil, da hier lediglich Wasser als Nebenprodukt gebildet wird. So konnte innerhalb der vorliegenden Arbeit zunächst eine effiziente Bi(OTf)3-katalysierte Alkylierungen von 1,3-Diketonen unter Verwendung von Benzyl- und Allylalkoholen als Elektrophile entwickelt werden. Mit lediglich 1 Mol-% Bi(OTf)3 konnten die gewünschten 3-alkylierten 1,3-Diketone in guten Ausbeuten isoliert werden. Weiterhin konnten neben Allyl- und Benzylalkoholen auch Styrene als Elektrophile genutzt werden. Unter Verwendung von 0.5 - 5 Mol-% Bi(OTf)3 konnten sowohl Arene, als auch 1,3-Dicarbonylverbindungen wie z. B. Acetylacetonat als nucleophile Reaktionspartner eingesetzt werden. Die entsprechenden 1,1-Diarylalkane und benzylierten 1,3-Dicarbonyle wurden dabei in hohen Ausbeuten erhalten. Um eine Anwendung für die zuvor entwickelten Methoden zu schaffen, wurde im weiteren Verlauf die Bismut(III)-katalysierte Benzylierung und Hydroalkylierung von 4-Hydroxycoumarinen untersucht. Die so erhaltenen Warfarinderivate sind von hohem medizinischem Nutzen, da diese Verbindungen als hoch potente Vitamin K Antagonisten eine breite Anwendung in der Thrombosevorbeugung oder als Rodentizide finden. Im zweiten Teil dieser Arbeit ging es um die Entwicklung neuer, chiraler Brønsted-Säure Katalysatoren. Die asymmetrische Brønsted-Säure Katalyse ist ein wachsendes Forschungsfeld und es konnten in den letzten Jahren viele enantioselektive Transformationen unter Verwendung chiraler BINOL-Phosphorsäurediester entwickelt werden. Bis vor kurzem waren BINOL-Phosphorsäurediester aufgrund ihres milden pH-Werts auf die Aktivierung von prochiralen Iminen beschränkt. Kürzlich wurden jedoch N-triflierte Phosphoramide als eine neue Klasse hoch potenter Brønsted-Säuren beschrieben. Während dieser Arbeit wurden zunächst verschiedene BINOL-basierte N-Triflylphosphoramide synthetisiert. Ausgehend von H8-BINOL konnte hier eine effiziente 3-Schritt Synthese dieser neuen Katalysatorklasse entwickelt werden. Dieser Syntheseweg verzichtet auf Schutzgruppen und ist daher in kürzerer Zeit und in besseren Ausbeuten durchführbar, als die zuvor beschrieben Synthesewege der ungesättigten BINOL-Phosphate oder N-Triflylphosphoramide. Strukturell wurden die auf diese Weise synthetisierten N-Triflylphosphoramide durch Röntgenstrukturanalyse, NMR und TXRF weiter untersucht und deren Aktivität gegenüber verschiedenen prochiralen Carbonylverbindungen überprüft. Hierbei wurde festgestellt, dass N-Triflylphosphoramide, im Vergleich zu BINOL-Phosphorsäurediestern, deutlich besser in der Lage sind, die asymmetrische Nazarov-Cyclisierung von Divinylketonen zu katalysieren. Die gewünschten Cyclopentenone konnten nach sehr kurzen Reaktionszeiten in hohen Ausbeuten und sehr guten Selektivitäten von bis zu 98% ee isoliert werden. Darauf aufbauend wurde die Brønsted-Säure-katalysierte Aktivierung von ungesättigten α-Ketoestern untersucht. Bei der Verwendung von N-Methylindol als Nucleophil konnten die 4-substituierten α-Ketoester unter Verwendung von 5 Mol-% eines 3,3’-silylierten-N-triflylphosphoramids in hohen Ausbeuten und sehr guten Enantioselektivitäten isoliert werden. Neben der erwarteten 1,4-Addition trat, abhängig von der gewählten Brønsted-Säure, eine Doppeladdition des Indols in 2-Position des α-Ketoesters auf. Das so erhaltene Bisindol zeigte hierbei völlig unerwartet atropisomeres Verhalten. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Bildung dieses Bisindols vermutlich über eine carbokationische Spezies verläuft und es sich somit um eine enantioselektive Sn1-artige nucleophile Substitution handelt. Darauf aufbauend wurde eine N-Triflylphosphoramid-katalysierte Alkylierung von γ-Hydroxylactamen entwickelt. Hier kommt es Brønsted-Säure-katalysiert zu der Bildung eines N-Acyliminium-Ions, welches schließlich durch Indol als Nucleophil abgefangen wird. Auf diese Weise konnten verschieden substituierte γ-Hydroxylactame in die entsprechenden Indol-substituierten Analoga in hohen Enantioselektivitäten überführt werden. Dies ist das erste Beispiel einer hoch enantioselektiven, Brønsted-Säure-katalysierten Substitution von γ-Hydroxylactamen.
Im ersten Abschnitt der Doktorarbeit wurden kurze alpha-helikale Modellpeptide mit Oligosacchariden, die Teile der Core-Region der N-Glycane bilden, N-glycosyliert, um den konformationellen Effekt der N-Glycosylierung auf das Peptidrückgrat zu untersuchen. CD- und NMR-Untersuchungen ergaben, daß die Konformation der N-Glycopeptide durch die Größe der angehängten N-Glycanreste und die Wahl der Aminosäurereste nahe der Glycosylierungsstelle beeinflußbar war. Die signifikantesten konformationellen Änderungen ergaben die N-Glycosylierung mit einem Monosaccharid beziehungsweise einem Pentasaccharid. Die Kombination von organischer Synthese mit biologischen Methoden ermöglicht es heute, neben den 20 natürlichen Aminosäuren, auch unnatürliche Aminosäuren ortsspezifisch in Proteine einzubauen. Dabei wird das Codon für die jeweilige Aminosäure durch Oligonucleotid-Mutagenese durch das Nonsense-Codon UAG ersetzt. Für dieses spezielle Codon wird eine Suppressor-tRNA hergestellt und in vitro chemisch mit der gewünschten unnatürlichen Aminosäure aminoacyliert. Mit dem späteren Ziel einer in vitro-N-Glycoproteinsynthese wurde hier die Darstellung von N-glycosylierten Aminosäuren und der Versuch der Anknüpfung an ein Dinukleotid pdCpA beschrieben. Die für die Aminoacylierung des Dinukleotids geeigneten Zuckeraminosäuren trugen Nterminal die photochemisch abspaltbare NVOC-Schutzgruppe, Acetylgruppen an den Zucker-OH-Funktionen und eine Cyanomethylaktivesterfunktion am C-Terminus. Die Aminoacylierungsreaktionen führten nicht zu dem gewünschten N-Glycosylaminoacyldinukleotid. Insbesondere durch die Wahl anderer Zuckerschutzgruppen sollte dennoch die Acylierung des Dinukleotids pdCpA mit einer N-glycosylierten Aminosäure gelingen. Der dritte Teil der Doktorarbeit beinhaltete die Synthese eines Prionen-N-Glycoproteins über chemische Ligation eines Thioesters mit einem Cystein-Peptid. Die Verknüpfung von Peptidfragmenten erlaubt die selektive Isotopen-Markierung, was die Strukturaufklärung mit Hilfe der NMR-Spektroskopie enorm vereinfacht. Die Funktion der Glycosylierung des Prionenproteins scheint in wenigen Aspekten geklärt zu sein. Unklar ist, ob die N-Glycosylierung auch die Konformation des Prionenproteins verändern kann. Ein kurzes Prionen-N-Glycopeptidfragment SHA PrP172-194 aus der Helix B des Prionenproteins wurde der Strukturanalyse unterzogen, wobei ein Effekt der NGlycosylierung auf die Konformation des Peptidrückgrats verzeichnet werden konnte. Motiviert durch diese Ergebnisse wurden in der Doktorarbeit das Prionenproteinfragment SHA PrP12l-178 als N-terminales Thioesterfragment und das Fragment SHA PrP179-231 als C-terminales Cystein-Peptid mit Festphasenpeptidsynthese dargestellt. Mit diesen wasserlöslichen Proteinfragmenten wurde erfolgreich eine chemische Ligation unter denaturierenden Bedingungen durchgeführt. Da man selektiv Isotopen-markierte Proteine herstellen wollte, war man auf die biochemische Expression des N-terminalen Thioesterfragments SHA PrPl2l-178 angewiesen. Dr. S. Becker (Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie, Göttingen) gelang die Expression eines unmarkierten Prionen-Inteinfusionsproteins, aus dem durch Thiol-vermittelte Inteinspaltung ein Thioester generiert werden konnte. Auch mit diesem biochemischen Ligationsansatz konnte das Fragment SHA PrP121-23l erhalten werden. Ein N-glycosyliertes Prionenfragment SHA PrP179-231 wurde in der vorliegenden Doktorarbeit ebenfalls dargestellt und steht für Intein-vermittelte Ligationsreaktionen zur Verfügung.
Ribozyme und siRNAs sind in der Lage, durch sequenzspezifische Spaltung der viralen RNA, die HIV-Replikation in vitro zu inhibieren. Es konnten bis jetzt allerdings nur wenige Antisense-basierte Therapeutika entwickelt werden, die eine ausreichend effiziente antivirale Wirkung in klinischen Studien zeigen. In dieser Arbeit wurden verschiedene Untersuchungen zur Wirksamkeit von therapeutischen RNA-Effektor-Molekülen durchgeführt. Die Effizienz von exogen in Zellen transfizierter therapeutischer siRNAs wird von vielen Faktoren beeinflusst. Neben der Bindung der Effektor-RNA an ihre Ziel-RNA und der Stabilität der Effektor-RNA sind weitere wichtige Faktoren die Lokalisation innerhalb der Zelle sowie die Effizienz der Transfektion. Zur Beurteilung der Knockdown-Effizienz einer exogen zugeführten Effektor-RNA bedarf es somit einer Meßmethode, die diese unterschiedlichen Parameter berücksichtigt. Wesentlich ist dabei insbesondere die Transfektionseffizienz, in den meisten in vitro Studien finden jedoch Unterschiede in der Transfektionseffizienz wenig Beachtung. Da die Wirksamkeit der Effektor-RNA in einer Zelle nur dann hinreichend beurteilt werden kann, wenn bekannt ist wie viel RNA in die jeweilige Zelle transfiziert wurde, wurde ein Assay-System etabliert, mit welchem die Konzentrations-Wirkungs-Beziehung der Effektor-Moleküle ermittelt werden kann. Mit Hilfe dieses Assay-Systems wurde in dieser Arbeit der Einfluss verschiedener Nukleotidanaloga auf die Wirksamkeit von siRNAOligonukleotiden untersucht. Bei dem einen Nukleotidanaloga handelt es sich um das 2,4,6-Trifluorbenzene, eine universelle Base, welche den RNA-Duplex partiell destabilisiert. Es konnte bereits gezeigt werden, dass für die Effektivität von siRNAs ein thermodynamisch destabilisiertes 5’-Ende des antisense-Stranges von Vorteil ist. Eine siRNA mit zwei 2,4,6-Trifluorbenzenen am 5’-Ende des sense-Stranges zeigte eine erhöhte Effektivität gegenüber den Kontrollen. Das zweite Nukleotidanaloga war das 4,6-Difluorbenzimidazol. Dabei handelt es sich ebenfalls um eine universelle Base, die nicht zwischen den einzelnen Basen diskriminiert. Die Verwendung dieser Base soll die Toleranz einer verwendeten siRNA gegenüber Punktmutationen erhöhen. Im Einsatz gegen HIV könnte diese Strategie die Bildung von Escape-Mutanten verhindern. Diese Base wurde an den Positionen 7 und 10 im antisense-Strang eingebaut. Als Kontrollen wurden an diesen Positionen mismatch-Basenpaarungen eingesetzt. An diesen Positionen werden mismatch-Basenpaarungen allerdings gut toleriert, so dass durch den Einsatz des 4,6-Difluorbenzimidazol keine Effektivitätssteigerung erreicht werden konnte. Durch gezielte Punktmutagenese konnten Nukleotidpositionen innerhalb des siRNA Moleküls identifiziert werden, bei denen mismatch-Basenpaarungen zu einem hohen Aktivitätsverlust führen und an denen der Einbau des 4,6-Difluorbenzimidazol sinnvoll erscheint. Ein zweiter Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit anti-HIV Ribozymen. In unserer Arbeitsgruppe wurden mehrere neue anti-HIV Ribozyme entwickelt und charakterisiert. Das Hammerhead Ribozym gegen das 13. GUC Triplett im Pol Gen erwies sich als äußerst effizienter Inhibitor der HIV-Replikation in vitro. In dieser Arbeit konnte die antivirale Wirksamkeit durch Bestimmung der kinetischen Parameter bestätigt werden. Der Wert für Kcat von 3,9 min-1 entspricht der Spaltungsrate von Hammerhead Ribozymen von <5 min-1. Der ermittelte Wert ist verglichen mit anderen anti-HIV Ribozymen sehr hoch. Es handelt sich um ein Ribozym mit einer sehr hohen molaren katalytischen Aktivität. Die antivirale Wirkung dieses anti-HIV Ribozyms sollte durch die Kolokalisation an seine Target-RNA zusätzlich verbessert werden. Ribozyme binden sequenzspezifisch an ihre Target RNA, das Zusammentreffen von Ribozym und Ziel-RNA ist jedoch ein zufälliges Ereignis. Es konnte bereits gezeigt werden, dass die Kolokalisation von Ribozymen zu einer Effektivitätssteigerung führt. Es war geplant das Ribozym über RNA-Aptamere an die HIV-1 Proteine Tat und Rev zu kolokalisieren, da beide Proteine spezifisch über ihre RNA Bindedomäne an die HIV mRNAStrukturen TAR (Tat Activated Region) bzw. RRE (Rev Responsive Element) binden. In dieser Arbeit konnten Expressionssysteme und die Reinigung für beide viralen Proteine etabliert werden, allerdings ließ sich das Affinitätstag nicht durch Proteaseverdau entfernen. Aus diesem Grund wurde die Selektion der Aptamere mit Peptiden durchgeführt. In dieser Arbeit konnten jedoch keine RNAs identifiziert werden, die eine Affinität zu den Peptiden aufwiesen. RNA Interferenz wird zunehmend als das effektivste Verfahren zum spezifischen Knockdown einer mRNA angesehen. Zum Vergleich von siRNA mit anti-HIV Ribozymen wurden überlappende Zielsequenzen im HIV-1 Pol Gen für beide Effektor-Moleküle identifiziert und ihre antivirale Wirkung verglichen. Beide Ribozyme und shRNAs wurden retroviral in T-Zellen exprimiert, um die antivirale Wirkung der beiden Effektor-Moleküle vergleichen zu können. Die antivirale Aktivität der siRNAs wurde nach HIV-1 Exposition mit der unseres Referenzribozyms HHPol 13 verglichen. Die siRNA gegen eine Sequenz im Bereich des 7. GUC Tripletts im HIV-1 Pol Gen war in der Lage die HIV Replikation effektiv zu hemmen. In gleicher Weise konnte dies auch das Referenzribozym gegen das 13. GUC Triplett im Pol Gen. Die siRNA, die gegen die gleiche Sequenz wie das effektive Ribozym gerichtet war, zeigte hingegen keinerlei antivirale Aktivität. Dieses Ergebnis zeigt, dass ein Ribozym ebenso effektiv wie eine siRNA die HIV Replikation hemmen kann. Die siRNA, die gegen die gleiche Sequenz wie das effektive Ribozym gerichtet ist, hatte keine antivirale Aktivität. Neben der Zugänglichkeit der Ziel-RNA beeinflussen scheinbar noch andere Faktoren die Effizienz von siRNA-Molekülen. In diesen Experimenten wurden erstmals systematisch siRNAs und Ribozyme gegen identische Zielsequenzen miteinander vergleichen. Der antivirale Effekt der siRNA Pol7 wurde näher untersucht. Um die Effizienz der siRNA leichter zu bestimmen und vergleichen zu können, wurden die weiteren Versuche mit synthetischen Oligonukleotiden und der Zelllinie Hela-P4 CCR5 durchgeführt. Dabei zeigte die siRNA eine sehr gute Inhibition der viralen Replikation.
Zur erfolgreichen Behandlung von Tumorerkrankungen sind effiziente Therapien notwendig. Oftmals kommt es nach einer klassischen Tumortherapie zum Auftreten von Rezidiven, die aus residuellen Tumorzellen hervorgehen. Grund hierfür können eine bereits erfolgte Metastasierung oder Resistenzmechanismen der Tumorzellen sein. Auf Grund ihrer Fähigkeit Gewebe aktiv zu infiltrieren bietet der Einsatz zytotoxischer Lymphozyten im Rahmen einer zellulären Immuntherapie den Vorteil, auch bereits metastasierte Tumorzellen zu erreichen. Dadurch können auch Tumorzellen eliminiert werden, die Resistenzmechanismen meist im oberen Teil apoptotischer Signalkaskaden aufweisen. Eine spezifische Ausrichtung zytotoxischer Lymphozyten auf Tumorantigene ist grundsätzlich über chimäre Antigenrezeptoren möglich. Dabei bietet die Generierung von Tumor-spezifischen zytotoxischen Effektorzelllinien den Vorteil, Zellklone mit definierter Aktivität und Spezifität bereitstellen zu können. Im Hinblick auf einen klinischen Einsatz scheint hierfür die Natürliche Killerzelllinie NK-92 besonders geeignet. Die Ergebnisse einer klinischen Studie mit parentalen NK-92 Zellen zeigten eine gute Verträglichkeit ohne Nebenwirkungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden NK-92 Zellen genetisch so modifiziert, dass sie chimäre Antigenrezeptoren mit Spezifität für die Tumorantigene CD20, EpCAM, GD2 und CD138 exprimieren. In der Tumortherapie stellen das mit Tumoren der B-Zell-Reihe assoziierte CD20-Molekül und das auf den meisten Tumorzellen epithelialen Ursprungs exprimierte EpCAM-Protein wichtige Zielantigene monoklonaler Antikörper dar. Studien zeigten, dass auch die auf Tumorzellen des Neuroblastoms bzw. Multiplen Myeloms exprimierten Moleküle GD2 bzw. CD138 geeignete Angriffspunkte für immuntherapeutische Ansätze sein könnten. Die chimären Antigenrezeptoren sind aus einem Antigenspezifischen scFv-Antikörperfragment aufgebaut, das über ein Fragment der CD8alpha-Kette mit der CD3zeta-Kette als Signaltransduktionsdomäne verbunden ist. Nach retroviraler Transduktion zeigte sich eine hohe und homogene Oberflächenexpression dieser Rezeptoren auf modifizierten NK-92 Zellen. Auf das Oberflächenprotein CD20 ausgerichtete NK-92-scFv(Leu-16)-Zeta Zellen wiesen gegen CD20- positive Tumorzelllinien und primäre Tumorzellen eine hohe zytotoxische Aktivität auf. Im Vergleich waren parentale NK-92 Zellen gegen diese Tumorzellen nicht oder deutlich weniger aktiv. Dabei war die zytotoxische Aktivität der NK-92-scFv(Leu-16)-Zeta Zellen mit dem monoklonalen anti-CD20 Antikörper Rituximab kompetitierbar. Mit Hilfe der gegen parentale und modifizierte NK-92 Zellen resistenten Zelllinie NIH3T3 wurde gezeigt, dass allein über die stabile Expression des CD20-Proteins in NIH3T3 Zellen die Resistenz gegen modifizierte NK-92 Zellen überwunden werden kann. NK-92-scFv(Leu-16)-Zeta Zellen waren in der Lage, CD20-positive NIH3T3-CD20 Zellen auch bei niedrigen E/T-Verhältnissen effizient abzutöten. In Mischkulturen aus NIH3T3 und NIH3T3-CD20 Zellen war zudem eine selektive zytotoxische Aktivität der NK-92-scFv(Leu-16)-Zeta Zellen ausschließlich gegen Antigen-positive Zellen nachweisbar. Über die Analyse von Zellkonjugaten zwischen zytotoxischen Effektorzellen und ihren Zielzellen, deren Bildung grundsätzliche Voraussetzung für eine Eliminierung ist, wurden Hinweise erhalten, dass der chimäre Antigenrezeptor hierzu keinen Beitrag zu leisten scheint, sondern vor allem die anschließende Aktivierung der modifizierten NK-92 Zellen bewirkt. Mit EpCAM-spezifischen NK-92-scFv(MOC31)-Zeta Zellen war auch bei niedrigen E/T-Verhältnissen eine effiziente Abtötung von unterschiedlichen Tumorzelllinien epithelialen Ursprungs möglich. Eine erfolgreiche Blockierung dieser zytotoxischen Aktivität mit dem monoklonalen Antikörper MOC31 bestätigte, dass diese spezifisch über den chimären Antigenrezeptor vermittelt wurde. Die untersuchten epithelialen Zelllinien erwiesen sich dagegen als vollkommen resistent gegen parentale bzw. mit demleeren Expressionsvektor modifizierte NK-92-Mock Zellen. Weitere Ergebnisse zeigten, dass die zytotoxische Aktivität von NK-92-scFv(MOC31)-Zeta Zellen tatsächlich über Granzym B vermittelt wird. Eine erhöhte FasL-Oberflächenexpression infolge der Cokultur mit Antigen-positiven Zielzellen war dagegen nicht nachweisbar. Anhand dieser Ergebnisse kann eine signifikante Beteiligung von FasL an der zytotoxischen Aktivität der modifizierten NK-92 Zellen ausgeschlossen werden. Weiterhin wurden therapeutische Effekte von NK-92-scFv(MOC31)-Zeta Zellen in einem Xenograftmodell in NOD-scid/scid Mäusen mit einer humanen EpCAM-positiven Tumorzelllinie untersucht. Hier wurde im Vergleich zur Kontrollgruppe durch Behandlung mit EpCAM-spezifischen NK-92 Zellen, unerwarteterweise aber auch mit NK-92-Mock Zellen, ein signifikant längeres Überleben der Tiere beobachtet. Nach der Ableitung CD138-spezifischer NK-92-scFv(B-B4)-Zeta Zellen wurde zwar eine hohe zytotoxische Aktivität gegen CD138-positive Zelllinien erhalten. Es war jedoch keine im Vergleich zu parentalen NK-92 Zellen weiter verstärkte Zytotoxizität nachweisbar. Als Ursache hierfür ist eine mangelnde Funktionalität des scFv-Antikörperfragments im Kontext des chimären Antigenrezeptors denkbar. Da die Bindungseigenschaften von scFv-Fragmenten entscheidend durch die Anordnung ihrer schweren und leichten Antikörperketten zueinander beeinflusst werden können, wurden NK-92 Zellen etabliert, die ein scFv-Fragment mit umgekehrter Orientierung der Antikörperketten in ihrem chimären Antigenrezeptor tragen. Diese werden derzeit im Rahmen einer externen Zusammenarbeit auf ihre Funktionalität hin überprüft. Zur Konstruktion gegen das Disialogangliosid GD2 gerichteter chimärer Antigenrezeptoren wurden parallel zwei scFv-Fragmente des Antikörpers ch14.18 eingesetzt, die sich in der Orientierung der schweren und leichten Antikörperketten zueinander unterscheiden. Mit den Antigenrezeptorkonstrukten modifizierte NK-92 Zellen zeigten eine im Vergleich zu parentalen NK-92 und NK-92-Mock Zellen stark erhöhte Zytotoxizität gegen GD2 exprimierende humane Tumorzelllinien. Dabei wurde weder bei der Expressionsdichte der chimären Antigenrezeptoren noch in der zytotoxischen Aktivität modifizierter NK-92 Zellen mit unterschiedlicher Anordnung der variablen Antikörperdomänen im scFv Antikörperfragment ein signifikanter Unterschied beobachtet. Mit der extrazellulären Domäne von CTLA-4 als Modellprotein wurde der mögliche Einsatz einer zu scFv-Antikörperfragmenten alternativen Antigenbindungsdomäne geprüft. CTLA-4 wird normalerweise auf T-Zellen exprimiert und bindet an CD80 bzw. CD86 auf APCs. CD80- und/oder CD86-positive Zielzellen wurden von NK-92-sCTLA-4-Zeta Zellen im Vergleich zu parentalen NK-92 Zellen spezifisch und mit hoher Effizienz lysiert. In Zytotoxizitätsassays wurde mit Hilfe einer sowohl gegen parentale als auch modifizierte NK-92 Zellen resistenten Tumorzelllinie gezeigt, dass allein die stabile Expression des CD86 Proteins in dieser Zelllinie ausreicht, um die Resistenz gegen NK-92-sCTLA-4-Zeta Zellen aufzuheben. Daraus kann geschlossen werden, dass grundsätzlich auch der Einsatz von zu scFv- Antikörperfragmenten alternativen Antigenbindungsdomänen eine spezifische Ausrichtung und effiziente Aktivierung von NK-92 Zellen gewährleistet. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die genetische Modifikation der Natürlichen Killerzelllinie NK-92 zur Ausrichtung auf Tumor-spezifische Zielstrukturen einen grundsätzlich geeigneten Ansatz zur Behandlung maligner Erkrankungen darstellt. Eine Weiterentwicklung Antigen-spezifischer NK-92 Derivate als mögliche Zelltherpeutika erscheint daher sinnvoll und vielversprechend.
Bispezifische transmembrane Antikörperfragmente zur Inhibierung von ErbB-Wachstumsfaktor-Rezeptoren
(2014)
Der epidermale Wachstumsfaktor-Rezeptor (EGFR) und das ErbB2 Molekül sind Mitglieder der ErbB-Rezeptortyrosinkinase-Familie. Die Bindung von Peptidliganden an die extrazelluläre Domäne (ECD) von EGFR führt zu einer Konformationsänderung, die den Dimerisierungs-kompetenten Zustand des Rezeptors stabilisiert und eine Homodimerisierung oder Heterodimerisierung mit anderen ErbB-Rezeptoren erlaubt. ErbB2 liegt dagegen ohne Ligandenbindung dauerhaft in einer Dimerisierungskompetenten Konformation vor. Die Rezeptordimerisierung stimuliert die intrazelluläre Kinaseaktivität, was zu einer Autophosphorylierung distinkter Tyrosine im C-terminalen Schwanz der Rezeptoren führt. Diese Phosphotyrosine dienen als Bindungsstellen unterschiedlicher intrazellulärer Substrate und Adaptorproteine, die Zellwachstums-, Migrations- und Überlebens-fördernde Signalkaskaden auslösen. Eine Über- oder Fehlfunktion dieser Rezeptoren wurde in vielen Karzinomen epithelialen Ursprungs sowie in Glioblastomen beschrieben und mit einem aggressiven Krankheitsverlauf in Verbindung gebracht.
Der therapeutische Antikörper Cetuximab inhibiert das Tumorwachstum, indem er an die ECD von EGFR bindet und dabei die Ligandenbindung und Rezeptoraktivierung unterbindet. Dieselben Eigenschaften weist das single chain fragment variable (scFv) 225 auf, das die gleiche Antigenbindungsdomäne besitzt. Ein weiteres scFv-Antikörperfragment, scFv(30), wurde in vorangegangenen Arbeiten der Gruppe aus einer scFv-Bibliothek isoliert und bindet als zytoplasmatisch stabil exprimierbares Molekül an die intrazelluläre Domäne (ICD) des EGFR.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurde das bislang unbekannte Epitop des scFv(30) Antikörperfragments mittels Peptid-Spotting Experimenten bestimmt. Die Bindungsstelle des scFv(30) Proteins wurde dabei am C-terminalen Ende der EGFR Sequenz lokalisiert und umfasst die Aminosäuresequenz GIFKGSTAE (AS 1161-1169 des reifen EGFR Proteins).
Die Expression von Antikörperfragmenten als sogenannte Intrabodies in Tumorzellen stellt einen wirkungsvollen Ansatz zur selektiven Interferenz mit wichtigen physiologischen und pathophysiologischen Prozessen dar. Im zweiten Teil der vorgelegten Arbeit wurde das EGFR-ECD-spezifische Antikörperfragment scFv(225) über eine Transmembrandomäne und eine flexible Gelenkregion mit dem EGFR-ICD-spezifischen scFv(30) Molekül zu einem neuartigen bispezifischen Antikörper verbunden. Die konstitutive Expression dieses 225.TM.30 Intrabodies und der monospezifischen Variante 225.TM nach lentiviraler Transduktion von EGFR-überexprimierenden MDA MB468 und A431 Tumorzellen resultierte in einer substanziellen Reduktion der EGFR-Oberflächenexpression und einer Blockierung der Liganden-induzierten EGFR-Autophosphorylierung, begleitet von einer deutlichen Inhibition des Zellwachstums. Eine weitere Analyse der 225.TM.30-induzierten molekularen Prozesse in diesen Tumorzellen im Vergleich zu den beiden monospezifischen Varianten 225.TM und TM.30 erfolgte mittels eines Tetracyclin-induzierbaren Expressionssystems. Dazu wurden A431, MDA-MB468 und EGFR-negative MDA-MB453 Zellen zunächst mit retroviralen Vektorpartikeln transduziert, die für den optimierten reversen Tetracyclin-kontrollierten Transaktivator (M2) kodieren. Anschließend erfolgte die Tansduktion mit retroviralen transmembranen Antikörperkonstrukten, kontrolliert von einem Tetracyclin-induzierbaren Promoter (T6). Die Doxycyclin (Dox)-induzierte Expression von 225.TM.30 und 225.TM bestätigte die im konstitutiven Expressionssystem beobachteten Ergebnisse. TM.30-exprimierende Zellen zeigten dagegen keinen Unterschied in der Oberflächenexpression oder Aktivierbarkeit von EGFR zu parentalen Zellen, wiesen aber dennoch eine deutliche Inhibition des Wachstums auf. Konfokale Laserscanning Mikroskopie Studien zeigten eine Co-Lokalisation von 225.TM und EGFR hauptsächlich an der Zelloberfläche, während 225.TM.30 und TM.30 im endoplasmatischen Retikulum detektiert wurden und EGFR in diesem Kompartiment festhielten. Die TM.30/EGFR-Komplexe im ER könnten eine ER-Stress-Antwort auslösen und damit das reduzierte Wachstum TM.30-exprimierender Zellen erklären. Tatsächlich wurden in MDA MB468/M2/iTM.30 und A431/M2/iTM.30 Zellen erhöhte Proteindisulfidisomerase (PDI) und teilweise GRP78/BiP Proteinmengen detektiert, die auf eine ER-Stress-Antwort hindeuten. Das bispezifische 225.TM.30 Molekül vereinte die Eigenschaften der monospezifischen Antikörpervarianten. Es hielt wie TM.30 Anteile des EGFR im ER zurück und war wie 225.TM in der Lage, die EGFR-Oberflächenexpression zu reduzieren und die EGFR-Autophosphorylierung zu inhibieren.
Die Expression der drei transmembranen Antikörper in EGFR-negativen MDA-MB453/M2 Zellen hatte dagegen keinen Einfluss auf das Wachstum dieser Zellen, was die EGFR-Spezifität der vorgestellten Moleküle unterstreicht.
Im letzten Teil der vorgelegten Arbeit wurde die scFv(225) Domäne in 225.TM.30 gegen das ErbB2-ECD-spezifische scFv(FRP5) Molekül ausgetauscht, und somit ein ErbB2-ECD- und EGFR-ICD-spezifischer Intrabody generiert (5.TM.30). Nach der Dox-induzierten Expression des 5.TM.30 Moleküls in EGFR- und/oder ErbB2-exprimierenden Tumorzellen wurde die Funktionalität beider Bindungsdomänen verifiziert. Die 5.TM.30 Expression resultierte dabei in ErbB2-positiven Tumorzellen in einer verringerten Oberflächen- und Gesamtexpression von ErbB2 und in EGFR-positiven Zellen in einer Reduktion der EGFR-Gesamtproteinmenge. Dies lässt auf eine erhöhte, 5.TM.30-induzierte Degradation der beiden Rezeptoren schließen. Die Expression des 5.TM.30 Proteins führte zudem zu einer Inhibition des Wachstums EGFR- und/oder ErbB2-positiver Zellen. Weiterhin wurde auch in 5.TM.30-exprimierenden MDA-MB468/M2 Zellen, wie für 225.TM.30 und TM.30 beschrieben, eine Co-Lokalisation des transmembranen Antikörperfragments mit EGFR im ER gezeigt.
Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse weisen erstmals die Funktionalität von membranverankerten mono- und bispezifischen Antikörpermolekülen als Intrabodies nach, und zeigen ihr Potenzial zur gerichteten Interferenz mit der Wachstumsfaktor-abhängigen Signaltransduktion. Durch den Austausch der extra- und intrazellulären Antikörperdomänen könnte diese Strategie ebenso zur Analyse oder Blockade weiterer Signalmoleküle und Signalkomplexe eingesetzt werden.
Channelrhodopsin-2 (ChR2) is a cation-selective light-gated channel from Chlamydomonas reinhardtii (Nagel G, Szellas T, Huhn W, Kateriya S, Adeishvili N, Berthold P, et al. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. Proc Natl Acad Sci USA 2003;100:13940-5), which has become a powerful tool in optogenetics. Two-dimensional crystals of the slow photocycling C128T ChR2 mutant were exposed to 473 nm light and rapidly frozen to trap the open state. Projection difference maps at 6Å resolution show the location, extent and direction of light-induced conformational changes in ChR2 during the transition from the closed state to the ion-conducting open state. Difference peaks indicate that transmembrane helices (TMHs) TMH2, TMH6 and TMH7 reorient or rearrange during the photocycle. No major differences were found near TMH3 and TMH4 at the dimer interface. While conformational changes in TMH6 and TMH7 are known from other microbial-type rhodopsins, our results indicate that TMH2 has a key role in light-induced channel opening and closing in ChR2.
Channelrhodopsin-2 (ChR2) is a light-gated cation selective channel from the unicellular alga Chlamydomonas reinhardtii, which is involved in phototaxis and photophobic responses. As other rhodopsins, ChR2 comprises a seven-transmembrane helix (TMH) motif and a retinal as the light-sensitive chromophore. The chromophore is covalently attached via a protonated Schiff base to the conserved lysine residue Lys257 located in TMH7. Based on its primary sequence and the all-trans configuration of the retinal in the ground state, ChR2 is assigned to the type I rhodopsins, also referred to as microbial-type rhodopsins. Upon light activation, the retinal isomerizes from the all-trans to the 13-cis form. This photoisomerization, which is accompanied by conformational changes of the protein, eventually leads to the opening of the channel and cation translocation. Cation flux during the conductive state leads to depolarization of the cell membrane and subsequent triggering of action potentials when expressed in neurons. Therefore, ChR2 has become the most versatile optogenetic tool, enabling a non-invasive investigation of neural circuits at high spatial and temporal resolution. With the rapidly increasing importance of ChR2 as a tool in neurobiology and cell biology, structural information is the prerequisite to an unambiguous understanding of the molecular mechanisms of this unique light-activated ion channel. The coupling between isomerization and structural alterations is well understood for other microbial-type rhodopsins, like bacteriorhodopsin (bR), halorhodopsin (HR) and sensory rhodopsin II (SRII). In case of ChR2, the first data on light-induced conformational changes came from spectroscopic studies and structural information is still missing. However, in order to fully understand the mechanism of light transduction by ChR2, it is necessary to determine the changes in the protein structure at specific steps in the photocycle.
By the time I started my PhD thesis, there was no structural information of ChR2 available. Therefore, the objective of this thesis was to obtain structural information of the transmembrane domain containing the first 315 amino acids of ChR2 by cryo electron crystallography. Besides revealing the structure of membrane proteins, cryo-EM of two-dimensional (2D) crystals is ideal for investigating conformational changes in membrane proteins induced by different stimuli. Therefore, the second objective of my thesis was the investigation of light-induced conformational changes in the slow C128T ChR2 mutant. The ~1,000 times longer lifetime of the open state of the C128T mutant compared to the wild-type allowed to trap different intermediates that accumulate during the photocycle.
In 2012, the X-ray structure of a channelrhodopsin-1/channelrhodopsin-2 chimaera (C1C2) at 2.3 Å resolution in the closed dark-adapted state was published (Kato et al., 2012). The structure revealed the essential molecular architecture of C1C2, including the retinal-binding pocket and the putative cation conduction pathway. Together with biochemical, spectroscopic, mutagenesis experiments, and the high-resolution model, some functionally important residues of ChR2 have been identified. However, unambiguous explanation of the molecular determinants that contribute to activation (gating) and transport were still mostly unknown.
RESULTS AND CONCLUSIONS
The first half of my theses dealt with 2D crystallization of ChR2. I succeeded in obtaining 2D crystals of ChR2 of four different types, which differed in size, crystal packing, crystal contacts and resolution, yielding structure factors up to 6 Å resolution. The crystals were grown by reconstituting the protein with different lipids at various lipid-to-protein ratios. The best crystals formed with the synthetic lipid DMPC and EPL upon detergent removal by dialysis. The projection maps calculated from these crystals revealed the overall structure of C128T ChR2 at 6 Å resolution and were published in 2011 (Müller et al., 2011). Surprisingly, ChR2 was found to be a dimer in all crystal types. The ChR2 dimer was stable both in detergent solution and in the presence of lipids for 2D crystallization. The monomers clearly showed the expected densities for the seven TMHs.
The arrangement of the ChR2 dimers on the four 2D lattices was different. However, comparison of the individual rojection maps revealed no significant differences within the ChR2 interface in the four crystal forms. The observation that the structure of the dimer was the same in all four crystal forms and in different lipids suggested strong specific contacts between the two protomers and implied that the protein was also dimeric in the native membrane. These findings were in agreement with Western blot analysis of plasma membranes from oocytes expressing ChR2 and laser-induced liquid bead ion desorption mass spectrometry, which both showed ChR2 as a dimer. The unusual stability of the ChR2 dimer contrasts with other microbial rhodopsins, which exist in different oligomeric states, i.e. monomers, trimers or dimers. These observations raised the question whether the functional unit is the monomer or the dimer.
The comparison of the projection map of the light-driven proton pump bR at the same resolution showed similar overall dimensions. Based on this comparison, the densities which became evident in the ChR2 projection maps could be assigned to the corresponding seven densities in bR. The shape of the densities near the dimer interface suggested that TMHs 2, 3, and 4 are oriented more or less perpendicular to the membrane plane, while the other four helices appear to be more tilted, as in bR.
Based on the high-resolution bR structure and the projection structures obtained, I have built a homology model. On the basis of this homology model, several residues found in the dimer interface were selected for mutational studies in order to disrupt the dimer interface.
The investigation of light-induced conformational changes in C128T ChR2 was the second part of my thesis. I designed an experimental setup for trapping light-induced conformational changes in C128T ChR2. In addition, I optimized the sample preparation in a way that the different illumination conditions did not alter the quality of the crystals. I have trapped two different functional states, namely the conductive open state and the non-conductive closed dark-adapted state.
In order to visualize the location and the extent of conformational changes, projection difference maps were calculated between the open and the closed state. Visual inspection of the difference maps between the open and the two closed states revealed three difference peaks that map to the TMHs 2, 6, and 7, indicating significant and specific rearrangements of these helices. The strong pair of positive/negative peaks at TMH6 suggests an outward tilt movement of approximately 2 Å. Close comparison of similar work on bR revealed that this movement is likely to occur at the cytoplasmic end of TMH6. A second highly significant negative peak is observed at TMH7, indicating a less pronounced tilt compared to TMH6. The third negative peak at TMH2 indicates a loss of density in this region. No significant differences were recorded at the TMH1, 5 and at the dimer interface formed by TMH3 and 4.
I succeeded in trapping and characterizing the open and closed state in the photocycle of ChR2 and could demonstrate that the transition from the closed to the open state is linked to significant light-induced tilt movements of TMH6 and 7, plus a loss of order in TMH2. These conformational changes are likely to create a large water-filled conducting pore, which seems to be required for the conductance of up to 2,000 ions per photocycle. The previously mentioned spectroscopic studies support the difference structures I obtained. This approach sets the stage for studying structural changes accompanying the formation and decay of other photocycle intermediates in ChR2. Future studies will aim at three-dimensional maps of the open and closed state at higher resolution.