Biochemie und Chemie
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The ATP-binding cassette transporter TAPL translocates polypeptides from the cytosol into the lysosomal lumen. TAPL can be divided into two functional units: coreTAPL, active in ATP-dependent peptide translocation, and the N-terminal membrane spanning domain, TMD0, responsible for cellular localization and interaction with the lysosomal associated membrane proteins LAMP-1 and LAMP-2. Although the structure and function of ABC transporters were intensively analyzed in the past, the knowledge about accessory membrane embedded domains is limited. Therefore, we expressed the TMD0 of TAPL via a cell-free expression system and confirmed its correct folding by NMR and interaction studies. In cell as well as cell-free expressed TMD0 forms oligomers, which were assigned as dimers by PELDOR spectroscopy and static light scattering. By NMR spectroscopy of uniformly and selectively isotope labeled TMD0 we performed a complete backbone and partial side chain assignment. Accordingly, TMD0 has a four transmembrane helix topology with a short helical segment in a lysosomal loop. The topology of TMD0 was confirmed by paramagnetic relaxation enhancement with paramagnetic stearic acid as well as by nuclear Overhauser effects with c6-DHPC and cross-peaks with water.
Pulsed electron-electron double resonance (PELDOR), also called Double Electron-Electron Resonance, (DEER) is a pulsed EPR technique that can provide structural information of biomolecules, such as proteins or nucleic acids, complementary to other structure determination methods by measuring long distances (from 1.5 up to 10 nm) between two paramagnetic labels. Incorporation of the rigid Ç-label pairwise into DNA or RNA molecules enables the determination not only of the distance but also of the mutual orientation between the two Ç-labels by multi-frequency orientation-selective PELDOR data (X-, Q- and G-band frequencies). Thus, information about the orientation of secondary structure elements of nucleic acids can be revealed and used as additional angular information for structure determination. Since Ç does not have motion independent from the helix where it resides, the conformational flexibility of the nucleic acid molecule can be directly determined. This thesis demonstrates the advancement of PELDOR spectroscopy, beyond its original scope of distance measurements, to determine the mutual orientation between two rigid spin labels towards the characterization of the conformational space sampled by highly flexible nucleic acid molecules. Applications of the methodology are shown on two systems: a three-way junction, namely a cocaine aptamer in its bound-state, and a two-way junction, namely a bent DNA.
More in detail, the conformational changes of the cocaine aptamer upon cocaine binding were investigated by analysis of the distance distributions. The cocaine-bound and the unbound states could be differentiated by their conformational flexibility, which decreases in the presence of the ligand. Moreover, the obtained distance distributions revealed a small change in the mean distance between the two spin labels upon cocaine binding. This indicates a ligand-induced conformational change, which presumably originates at the junction where cocaine is known to bind. The investigation of the relative orientation between the two spin-labeled helices of the aptamer revealed further structural insights into the conformational dynamics of the cocaine-bound state. The angular information from the orientation-selective PELDOR data and the a priori knowledge about the secondary structure of the aptamer were helpful in obtaining a molecular model describing its global folding and flexibility. In spite of a large flexible aptamer, the kink angle between the Ç-labeled helices was found to be rather well-defined.
As for the bent DNA molecule, a two-step protocol was proposed to investigate the conformational flexibility. In the first step, a database with all the possible conformers was created, using available restraints from NMR and distance restraints derived from PELDOR. In a second step, a weighted ensemble of these conformers fitting the multi-frequency PELDOR data was built. The uniqueness of the obtained structural ensemble was checked by validation against an independent PELDOR data set recorded at a higher magnetic field strength. In addition, the kink and twist angle pairs were determined and the resulting structural ensemble was compared with the conformational space deduced both from FRET experiments and from the structure determined by the NMR restraints alone.
Overall, this thesis underlines the potential of using PELDOR spectroscopy combined with rigid spin labels in the context of structure determination of nucleic acids in order to determine the relative orientation between two helices, the conformational flexibility and the conformational changes of nucleic acid molecules upon ligand binding.
Previously, we have synthesized a diverse range of 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA)-based semiaromatic polyamides via enzymatic polymerization. This novel class of polymers are biobased alternatives to polyphthalamides, which are petrol-based semiaromatic polyamides. From a commercial perspective, they have interesting properties as high-performance materials and engineering thermoplastics. It is even more appealing to explore novel FDCA-based polyamides with added functionality, for the development of sustainable functional materials. Here, a set of FDCA-based heteroatom polyamides have been successfully produced via Novozyme 435 (N435)-catalyzed polymerization of biobased dimethyl 2,5-furandicarboxylate with (potentially)heteroatom diamines, namely, 4,9-dioxa-1,12-dodecanediamine (DODA), diethylenetriamine, and 3,3-ethylenediiminopropylamine. We performed the enzymatic polymerization in solution and bulk. The latter approach is more sustainable and results in higher molecular weight products. Among the tested heteroatom diamines, N435 shows the highest catalytic activity toward DODA. Furthermore, we find that all obtained FDCA-based heteroatom polyamides are amorphous materials with a relatively high thermal stability. These heteroatom polyamides display a glass-transition temperature ranging from 41 to 107 °C.
Maintenance of the bacterial homeostasis initially emanates from interactions between proteins and the bacterial nucleoid. Investigating their spatial correlation requires high spatial resolution, especially in tiny, highly confined and crowded bacterial cells. Here, we present super-resolution microscopy using a palette of fluorescent labels that bind transiently to either the membrane or the nucleoid of fixed E. coli cells. The presented labels are easily applicable, versatile and allow long-term single-molecule super-resolution imaging independent of photobleaching. The different spectral properties allow for multiplexed imaging in combination with other localisation-based super-resolution imaging techniques. As examples for applications, we demonstrate correlated super-resolution imaging of the bacterial nucleoid with the position of genetic loci, of nascent DNA in correlation to the entire nucleoid, and of the nucleoid of metabolically arrested cells. We furthermore show that DNA- and membrane-targeting labels can be combined with photoactivatable fluorescent proteins and visualise the nano-scale distribution of RNA polymerase relative to the nucleoid in drug-treated E. coli cells.
The access to information on the dynamic behaviour of large proteins is usually hindered as spectroscopic methods require the site-specific attachment of biophysical probes. A powerful emerging tool to tackle this issue is amber codon suppression. Till date, its application on large and complex multidomain proteins of MDa size has not been reported. Herein, we systematically investigate the feasibility to introduce different non-canonical amino acids into a 540 kDa homodimeric fatty acid synthase type I by genetic code expansion with subsequent fluorescent labelling. Our approach relies on a microplate-based reporter assay of low complexity using a GFP fusion protein to quickly screen for sufficient suppression conditions. Once identified, these findings were successfully utilized to upscale both the expression scale and the protein size to full-length constructs. These fluorescently labelled samples of fatty acid synthase were subjected to initial biophysical experiments, including HPLC analysis, activity assays and fluorescence spectroscopy. Successful introduction of such probes into a molecular machine such as fatty acid synthases may pave the way to understand the conformational variability, which is a primary intrinsic property required for efficient interplay of all catalytic functionalities, and to engineer them.
Der 2‘-Desoxyguanosin-Riboschalter gehört zur unter Bakterien weit verbreiteten Klasse der Purin-Riboschalter. Allerdings wurden 2‘-Desoxyguanosin-bindende Riboschalter bisher ausschließlich in M. florum gefunden, damit stellt diese RNA eine Ausnahme unter den ansonsten verbreiteten Purin-Riboschaltern dar. In der vorliegenden Arbeit wurde ein NMR-Strukturmodell des IA-Aptamer-2‘-Desoxyguanosinkomplexes erstellt und anhand der mittels NMRSpektroskopie zugänglichen strukturellen Informationen sowohl Struktur und Dynamik des freien RNA-Aptamers als auch des 2‘-Desoxyguanosinkomplexes charakterisiert. Dabei wurde insbesondere der Einfluss von Mg2+ auf Struktur und Dynamik der jeweiligen Zustände sowie auf den durch 2‘-Desoxyguanosin induzierten Faltungsprozess untersucht.
Mg2+-Ionen modulieren die Faltungstrajektorien von sensorischen RNA-Domänen. Die Übertragbarkeit von Mg2+-abhängigen Charakteristika der RNA-Faltung innerhalb verschiedener Messmethoden ist durch die schlechte Vergleichbarkeit der relativen Konzentrationsverhältnisse eingeschränkt. Die NMR-spektroskopisch beobachtbaren Mg2+-Einflüsse sollten also unter besonderer Berücksichtigung der für NMR benötigten vergleichsweise sehr hohen RNAKonzentrationen mit Ergebnissen aus kalorimetrischen oder fluoreszenzspektroskopischen Messungen interpretiert werden. Die in der NMR-Spektroskopie üblichen hohen Probenkonzentrationen befinden sich in dem Regime, in dem auch der physikalische Effekt des verdrängten Volumens eine Rolle zu spielen beginnt. Demnach ist es für die RNA-Moleküle im NMR-Probenröhrchen bei Konzentrationen von 5-10 mg/ml auch ohne Zugabe von Mg2+ entropisch günstiger, kompakte Konformationen einzunehmen. Die Relevanz des Effekts des verdrängten Volumens für die RNA-Faltung unter NMR-Bedingungen und unter zellulären Bedingungen ist Gegenstand der aktuellen Forschung und wird in dieser Arbeit am Beispiel des IA-Aptamers diskutiert.
Der oft einzigartige Bindungsmodus ubiquitärer Metaboliten durch bakterielle Riboschalter (Montange and Batey, 2006) ermöglicht prinzipiell den Einsatz von RNA-Aptameren in vivo, ohne mit zellulären Proteinsystemen zu interferieren (Mulhbacher et al., 2010). Therapeutische Ziele sind beispielsweise die Anwendung von Riboschaltern gegen bakterielle Pathogene beziehungsweise gegen pathogene Bakterien selbst. Eine weitere Rolle wird RiboschalterElementen zukünftig als Bausteine in der synthetischen Biologie zukommen (Dixon et al., 2010; Knight, 2003; Topp and Gallivan, 2008). Hierfür ist es von grundlegender Bedeutung, Charakterisierung von Struktur als Basis für das Verständnis von Funktion unter zellulären Bedingungen zu etablieren. Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit Robert Hänsel aus dem Arbeitskreis von Prof. Dr. Volker Doetsch wurde am Beispiel des IA-Aptamers und einer nichtnatürlichen Sequenzvariante gezeigt, dass eine strukturelle Charakterisierung von Riboschaltern mittels in cell NMR-Spektroskopie möglich ist. In Zusammenarbeit mit Karl von Laer aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Beatrix Suess wurden beide RNA-Aptamer hinsichtlich ihrer Funktion in einem biologischen Assay getestet. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigten eine deutliche Korrelation von Struktur und Funktion in vivo, während Diskrepanzen zwischen Struktur in vitro und Funktion in vivo demonstriert werden.
Weiterhin wurde im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, dass eine gewisse strukturelle Flexibilität der Bindungstaschen regulatorischer RNA-Motive für Selektion und Adaption während Evolution nötig ist. Beispielsweise wurde für den Guanin-Riboschalter gezeigt, dass der nicht-native Ligand 2‘-Desoxyguanosin zur Komplexbildung des Aptamers führt. Demnach könnte die Bindung von 2‘-Desoxyguanosin im Guanin-Riboschalter bereits evolutionär angelegt sein und die Entstehung des IA-Aptamers nach Genomreduktion der Mesoplasmen begünstigt haben. Das IA-Aptamer dagegen bindet Guanin nicht, stattdessen besitzt M. florum auf Guanin spezialisierte Sequenzvarianten dieses Riboschalters (Kim et al., 2007). Strukturell hochauflösende Einblicke in unterschiedliche Zustände der Bindungstasche im G-Aptamer-Thioguaninkomplex, die durch die Lösung der Kristallstruktur des GLoop-Aptamers ermöglicht wurden, unterstützen die Hypothese einer anpassungsfähigen Bindungstasche im G-Aptamer. Für B. subtilis wäre es interessant, die physiologische Bedeutung der Komplexbildung des G-Aptamers mit 2‘-Desoxyguanosin zu untersuchen.
The mitophagy receptor Nix interacts with LC3/GABARAP proteins, targeting mitochondria into autophagosomes for degradation. Here we present evidence for phosphorylation-driven regulation of the Nix:LC3B interaction. Isothermal titration calorimetry and NMR indicate a ~100 fold enhanced affinity of the serine 34/35-phosphorylated Nix LC3-interacting region (LIR) to LC3B and formation of a very rigid complex compared to the non-phosphorylated sequence. Moreover, the crystal structure of LC3B in complex with the Nix LIR peptide containing glutamic acids as phosphomimetic residues and NMR experiments revealed that LIR phosphorylation stabilizes the Nix:LC3B complex via formation of two additional hydrogen bonds between phosphorylated serines of Nix LIR and Arg11, Lys49 and Lys51 in LC3B. Substitution of Lys51 to Ala in LC3B abrogates binding of a phosphomimetic Nix mutant. Functionally, serine 34/35 phosphorylation enhances autophagosome recruitment to mitochondria in HeLa cells. Together, this study provides cellular, biochemical and biophysical evidence that phosphorylation of the LIR domain of Nix enhances mitophagy receptor engagement.
Cancer cells, in general and especially Rhabdomyosarcoma (RMS) cells have been reported to be highly susceptible to oxidative stress. Based on this knowledge we examined whether the inhibition of the two main antioxidant defense pathways, i.e. the thioredoxin (TRX) and the glutathione (GSH) system, represents a possible new strategy to induce cell death in RMS. To do so, we combined the -glutamylcysteine synthetase (γGCL) inhibitor buthionine sulfoximine (BSO) or the cystine/glutamate antiporter (xc-) inhibitor erastin (ERA), both GSH depleting enzymes, with the thioredoxinreductase (TrxR) inhibitor auranofin (AUR) to evaluate synergistic cell death in the alveolar RMS (ARMS) cell line RH30 and the embryonal RMS (ERMS) cells RD.
Furthermore, we tried to unravel the underlying molecular mechanisms of AUR/BSO or AUR/ERA treatment in RMS cells. Thereby we showed that AUR/BSO as well as AUR/ERA treatment leads to proteasome inhibition characterized by the accumulation of ubiquitinated proteins, which is in agreement with the already published ability of AUR to inhibit proteasomeassociated deubiquitinases (DUBs) aside from TrxR. As a consequence, the protein levels of ubiquitinated short-lived proteins, like NOXA and MCL-1, increase upon treatment with AUR/BSO or AUR/ERA. Consistently, we could detect an increased binding of NOXA to MCL-1. Interestingly, not only NOXA protein levels but also mRNA levels rise upon treatment, pointing to a transcriptional regulation of pro-apoptotic NOXA through AUR/BSO or AUR/ERA combination treatment. The fact that siRNA mediated knockdown of NOXA rescues cells from combination treatment-induced cell death strengthens the role of NOXA as an important regulator of cell death induction. Apart from proteasome inhibition and subsequent NOXA accumulation, AUR cooperates with BSO or ERA to trigger BAX/BAK activation, which is needed for cell death induction, too. Additionally, loss of mitochondrial membrane potential (MMP) as well as caspase activation and PARP cleavage is detected after treatment of RMS cells with AUR/BSO or AUR/ERA.
Except of apoptotic cell death we also detected features of iron-dependent ferroptosis after treatment with AUR/BSO or AUR/ERA. This is not surprising, since BSO and ERA already have been described to induce ferroptotic cell death. Although lipid peroxidation takes place in both cell lines, only in RH30 cells, cell death seems to be partially ferroptosis-dependent, since especially in this cell line AUR/BSO- or AUR/ERA-induced cell death can be rescued with different ferroptosis inhibitors.
Although both combination treatments, AUR/BSO as well as AUR/ERA, induce production of reactive oxygen species (ROS), only the thiol-containing ROS scavengers GSH and its precursor N-acetylcysteine (NAC), but not the non-thiolcontaining antioxidant α-Tocopherol (α-Toc), consistently prevent proteasome inhibition, NOXA accumulation and cell death.
Additionally, we demonstrated that BSO and ERA abolish AUR-mediated upregulation of GSH thereby releasing the AUR cytotoxic effect on RMS cells, in line with the described ability of cysteines to inhibit the function of AUR. Together, this points to the conclusion that GSH depletion, rather than an increase in ROS levels, is important for AUR/BSO- or AUR/ERA-induced cell death.
In conclusion, through revealing that the antitumor activity of AUR is enhanced in combination with GSH depleting agents, we identified redox homeostasis as a new and promising target for the treatment of RMS cells.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, MALDI-Massenspektrometrie als robuste Analysenmethode für die quantitative Analyse niedermolekularer Verbindungen aus komplexen biologischen Matrizes zu etablieren. Zu Beginn der Arbeit wurden drei typische Fragestellungen im Bereich der Lebensmittelanalytik, der medizinischen Forschung und der klinischen Chemie ausgewählt, um die Methodik anhand dieser Modellsysteme zielgerichtet zu entwickeln und zu bewerten. Für jede dieser Fragestellungen wird routinemäßig ein hoher Probendurchsatz verlangt und damit werden hohe Anforderungen an die Probenvorbereitung gestellt, da diese einfach, schnell, reproduzierbar, Matrix-tolerant und automatisierbar sein muss um die Weiterentwicklung zur Hochdurchsatzanalytik zu erlauben.
Der quantitative Nachweis von Melamin und seinen Derivaten wurde aufgrund des Aufkommens von Milchprodukten, die mit diesen Verbindungen kontaminiert waren, ein wichtiger Bestandteil der Analytik dieser Lebensmittel. Insbesondere an diesem Beispiel zeigte sich der Vorteil des Einsatzes von MALDI-Massenspektrometrie zur Analyse kleiner Moleküle. Aufgrund der höheren Toleranz gegenüber Puffern und Salzen konnte die Probenvorbereitungszeit der für die FDA entwickelten Methode zur Quantifizierung von Melamin in Milchpulver mittels LC-ESI von ca. 140 min auf 90 min reduziert werden, da auf die zeitaufwendige Flüssigchromatographie verzichtet werden konnte. So wurde Melamin mit einem LLOQ von 0,5 ppm quantifiziert, was unterhalb der Vorgaben der WHO (2,5 ppm in Milichpulver und 1 ppm in Babynahrung) lag. Cyanursäure, ein Derivat von Melamin welches für die Bildung schwerlöslicher Komplexe in der Niere mitverantwortlich gemacht wird, konnte ebenfalls mit der entwickelten MALDI-MS Methode quantifiziert werden. Allerdings war die ermittelte Bestimmungsgrenze mit 15 ppm um den Faktor 30 schlechter als bei Melamin. Die Nachweisgrenze bei MALDI-MS ist stark von der MALDI-Matrix abhängig und die Verwendung von Sinapinsäure war eine gute Kompromisslösung, um die Analyten in einem Spot im positiven und negativen Reflektormodus zu analysieren. Allerdings wurde diese Matrix zur Analyse von Analyten im positiven Reflektormodus entwickelt. Bislang wurden nur wenige Matrizes für MALDI-MS im negativen Reflektormodus beschrieben, um z.B. Säuren besser nachweisen zu können. Forschung in diesem Bereich wird neue Möglichkeiten zur Detektion negativ geladener kleiner Moleküle ergeben.
Des Weiteren wurden im Rahmen dieser Arbeit auch Lösungen für klinische Fragestellungen wie etwa den Nachweis von Methylphenidat im Plasma und Gehirn von Ratten oder der Dried Blood Spot Analytik entwickelt. Bei beiden Methoden wurde jeweils nur eine einfache Flüssig-Flüssig-Extraktion zur Probenvorbereitung angewendet und sie ließen sich sehr gut auf Realproben übertragen.
Methylphenidat konnte im Plasma im Konzentrationsbereich von 0,1-40 ng/mL und im Hirnhomogenat im Konzentrationsbereich von 0,4-40 ng/mL quantifiziert werden, was gut im Konzentrationsbereich der Realproben von mit Methylphenidat gefütterten Ratten lag. Dazu standen das Plasma und die Gehirne von fünf Ratten zur Verfügung. Es wurde eine lineare Korrelation zwischen der MPH-Konzentration im Gehirnhomogenat und im Plasma gefunden, was basierend auf den bis dato bekannten Literaturergebnissen ein zu erwartendes Ergebnis war, aber zukünftig mit einer größeren Anzahl von Versuchstieren verifiziert werden sollte. Während der Methodenentwicklung war auch bei diesem Projekt die Auswahl der MALDI-Matrix ausschlaggebend für den Erfolg der Messungen. Im MALDI-Massenspektrum interferierte das Signal des Natriumaddukts von CHCA mit dem Signal von MPH. Für dieses Problem kamen zwei mögliche Lösungen in Betracht. Erstens die Quantifizierung mit ClCCA als MALDI-Matrix, da hier keine Interferenzen auftraten. In ersten Vorversuchen konnte MPH so in einem Konzentrationsbereich von 1-48 ng/mL mit einer exzellenten Linearität von R2=0,9992 quantifiziert werden. Eine zweite mögliche Problemlösung war die Verwendung von Tandem-Massenspektrometrie. Hierzu wurden Fragmentionen-Massenspektren der überlagerten Signale aufgenommen. MPH und der verwendete interne Standard MPH-d9 zeigten dabei spezifische Fragmentionensignale, über die quantifiziert wurde. Da die Sensitivität um den Faktor 100 im Vergleich zu MS-Spektren von CHCA und ClCCA gesteigert werden konnte, wurde die weitere Methodenentwicklung basierend auf der Tandem-Massenspektrometrie mit der MALDI-Matrix CHCA durchgeführt. Überdies sind MS/MS-Versuche unter Verwendung von ClCCA als MALDI-Matrix für kleine Moleküle sehr erfolgsversprechend und sollten in weiteren Forschungsarbeiten durchgeführt werden.
Die Dried Blood Spot Technik als alternative Probenvorbereitung bietet eine Reihe von Vorteilen, wie etwa den einer einfacheren Lagerung und eines einfacheren Transports einer großen Menge von Proben. Darüber hinaus werden nur wenige Mikroliter Blut verwendet, was vorteilhaft ist bei z B. klinischen Studien oder dem Therapeutic Drug Monitoring. Diese Art der Probennahme ist somit eine perfekte Ergänzung für weitere quantitative Analysen von Methylphenidat in Rattenblut. Den Ratten würden nur wenige Mikroliter Blut entnommen werden, was ihr Überleben sichert und der Transport der Proben auf dem Postweg wäre wesentlich einfacher. Um eine allgemein verwendbare DBS-MALDI-MS-Methode zu entwickeln, wurden neben Methylphenidat auch bekannte Analyten aus dem Bereich des Dopings sowie Lamotrigin, Coffein und Theophyllin als Beispiele für das Therapeutic Drug Monitoring verwendet. Es wurden verschiedene Lösungsmittel zur Extraktion eingesetzt, wobei sich eine Kombination aus Methyl-tert-Butylether und Ethanol, sowie Aceton als am besten geeignet erwies. Einige Analyten wie Coffein, Theophyllin und Lamotrigin wurden bis zu einer Konzentration von 0,5 μg/mL quantifiziert. Diese Bestimmungsgrenze ist bei Analyten aus dem Bereich des Dopings wie z.B. Salbutamol, Methylphenidat oder Clenbuterol, deren therapeutisch wirksame Plasmakonzentration im Bereich von wenigen Nanogramm pro Milliliter Blut liegt, um den Faktor 15-500 zu hoch. Diese Analyten waren bis zu einer Konzentration von 5 μg/mL im Blut mittels MALDI-MS problemlos nachweisbar. Um die Sensitivität zu erhöhen, ist es allerdings sinnvoll, die Extraktion zukünftig für die einzelnen Analyten zu optimieren, sie mittels Festphasenextraktion oder LC anzureichern und MS/MS-Spektren aufzunehmen. Für die Analyten Coffein, Theophyllin und Lamotrigin, deren therapeutisch wirksame Plasmakonzentration im ein- bis zweistelligen Mikrogramm-pro-Milliliter Bereich liegt, eignete sich die entwickelte Methode sehr gut. Es wurde eine Methodenvalidierung durchgeführt, wobei die validierten Parameter den Vorgaben der FDA entsprachen.
Da die Auswahl der MALDI-Matrix bei den verschiedenen Methodenentwicklungen jeweils ein kritischer Faktor war, wurden abschließend eine Auswahl von Analyten mit einer Molekülmasse bis ca. 600 Da mit verschiedenen MALDI-Matrizes präpariert. Ein Großteil der Analyten wurde am sensitivsten mit ClCCA nachgewiesen. Im Rahmen dieser Versuche wurde auch erstmals ein Strukturanalogon von ClCCA, und zwar ClCCA-Tetrazol, als alternative MALDI-Matrix eingesetzt, bei welchem die Carboxylgruppe durch einen Tetrazolring ausgetauscht wurde. Diese zeigte eine sehr homogene Kristallisation und für einige Analyten eine bis zu Faktor 3 höhere Signalintensität im Vergleich zu ClCCA. Außerdem war auffällig, dass einige Analyten unter bestimmten Präparationsbedingungen wie z B. der Graphite Supported Preparation sensitiver mittels MALDI-MS nachweisbar waren. Bei anderen Analyten verschlechterten sich die Analysenergebnisse. Graphit verändert stark die Kristallisation der MALDI-Matrix und es wird vermutet, dass sich dies auf den Einbau der Analyten in die Matrixkristalle auswirkt. Es konnte bislang aber noch nicht abschließend geklärt werden, wie genau die Präparation der Proben Einfluss auf den Einbau der Analyten in die Matrix nimmt. Eine Untersuchung dieser Phänomene sollte daher Gegenstand weiterer Forschungsprojekte sein.
Zusammenfassend stellt die MALDI-Massenspektrometrie eine schnelle und robuste Methode zur Quantifizierung einer Vielzahl kleiner Moleküle in komplexen biologischen Matrizes dar.
The field of dynamic nuclear polarization has undergone tremendous developments and diversification since its inception more than 6 decades ago. In this review we provide an in-depth overview of the relevant topics involved in DNP-enhanced MAS NMR spectroscopy. This includes the theoretical description of DNP mechanisms as well as of the polarization transfer pathways that can lead to a uniform or selective spreading of polarization between nuclear spins. Furthermore, we cover historical and state-of-the art aspects of dedicated instrumentation, polarizing agents, and optimization techniques for efficient MAS DNP. Finally, we present an extensive overview on applications in the fields of structural biology and materials science, which underlines that MAS DNP has moved far beyond the proof-of-concept stage and has become an important tool for research in these fields.
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.
The interaction between the T4 bacteriophage gp37 adhesin and the bacterial lipopolysaccharide (LPS) is a well-studied system, however, the affinity and strength of the interaction haven’t been analyzed so far. Here, we use atomic force microscopy to determine the strength of the interaction between the adhesin and its receptor, namely LPS taken from a wild strain of E. coli B. As negative controls we used LPSs of E. coli O111:B and Hafnia alvei. To study the interaction an AFM tip modified with the gp37 adhesin was used to scan surfaces of mica covered with one of the three different LPSs. Using the correlation between the surface topography images and the tip-surface interaction we could verify the binding between the specific LPS and the tip in contrast to the very weak interaction between the tip and the non-binding LPSs. Using force spectroscopy we could then measure the binding strength by pulling on the AFM tip until it lifted off from the surface. The force necessary to break the interaction between gp37 and LPS from E. coli B, LPS from E. coli O111:B and LPS from H. alvei were measured to be 70 ± 29 pN, 46 ± 13 pN and 45 ± 14 pN, respectively. The latter values are likely partially due to non-specific interaction between the gp37 and the solid surface, as LPS from E. coli O111:B and LPS from H. alvei have been shown to not bind to gp37, which is confirmed by the low correlation between binding and topography for these samples.
A key function of reversible protein phosphorylation is to regulate protein–protein interactions, many of which involve short linear motifs (3–12 amino acids). Motif‐based interactions are difficult to capture because of their often low‐to‐moderate affinities. Here, we describe phosphomimetic proteomic peptide‐phage display, a powerful method for simultaneously finding motif‐based interaction and pinpointing phosphorylation switches. We computationally designed an oligonucleotide library encoding human C‐terminal peptides containing known or predicted Ser/Thr phosphosites and phosphomimetic variants thereof. We incorporated these oligonucleotides into a phage library and screened the PDZ (PSD‐95/Dlg/ZO‐1) domains of Scribble and DLG1 for interactions potentially enabled or disabled by ligand phosphorylation. We identified known and novel binders and characterized selected interactions through microscale thermophoresis, isothermal titration calorimetry, and NMR. We uncover site‐specific phospho‐regulation of PDZ domain interactions, provide a structural framework for how PDZ domains accomplish phosphopeptide binding, and discuss ligand phosphorylation as a switching mechanism of PDZ domain interactions. The approach is readily scalable and can be used to explore the potential phospho‐regulation of motif‐based interactions on a large scale.
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.
Die Modulation molekularer Systeme mit Licht ist ein in den letzten Jahren immer stärker untersuchtes Forschungsgebiet. Es existiert bereits eine große Anzahl an Publikationen, die mittels statischer Spektroskopie und anderer statischer Methoden Einblicke in die ablaufenden Prozesse gewähren konnten. Untersuchungen im Ultrakurzzeitbereich sind jedoch eher selten, liefern aber detaillierte Informationen zu den ablaufenden Prozessen. Den Wissensstand diesbezüglich zu erweitern, war Ziel dieser Dissertation.
Untersucht wurden neun photoschaltbare, molekulare Dyaden hinsichtlich ihrer Dynamik nach Photoanregung. Die Dyaden setzten sich aus einem Fluorophor (Bordipyrromethen, BODIPY), einem Photoschalter (Dithienylethen, DTE; offen oder geschlossen) und gegebenenfalls einer COOH-Ankergruppe zusammen.
Die Unterschiede in den Molekülstrukturen bestanden in der Verknüpfung der einzelnen Bauteile (kurze oder lange, beziehungsweise gerade oder gewinkelte Brücke) und der Art des Fluorophors und des Photoschalters (jeweils zwei verschiedene Strukturen).
Durch Belichtung mit UV- oder sichtbarem Licht konnten photostationäre Zustände generiert werden, die 40 – 98 % geschlossenes Isomer (je nach Molekül) beziehungsweise 100 % offenes Isomer enthielten.
Unter Verwendung von Licht verschiedener Wellenlängen konnten beide Teile der Dyade (BODIPY beziehungsweise DTE) separat angeregt und hinsichtlich der ablaufenden Photodynamik untersucht werden, wobei der Fokus der Arbeit auf transienten Absorptionsmessungen mit Anregung des BODIPY lag. Bei einem Großteil der untersuchten Moleküle kam es in diesem Fall, je nach Zustand des Photoschalters, zu einem intramolekularen Energietransfer nach der Theorie von Theodor Förster. Durch diese Energietransferprozesse kommt es zu einer drastischen Verkürzung der Lebenszeit des angeregten Zustands des BODIPY. Ausgehend von Lebenszeiten im Bereich von Nanosekunden im Falle der offenen Dyaden (entspricht der Fluoreszenzlebensdauer) reduziert sich die Lebenszeit auf wenige Pikosekunden, beziehungsweise je nach Aufbau des Moleküls sogar noch weiter. Die unterschiedlich schnellen Transferprozesse sind im Sinne der Förster-Theorie durch die unterschiedlichen Entfernungen und relativen Orientierungen der beiden beteiligten Übergangsdipolmomente (von DTE und BODIPY) erklärbar.
Neben Experimenten mit Anregung des BODIPY-Teils der Dyaden wurden weitere Experimente durchgeführt, in denen der geschlossene Photoschalter direkt angeregt wurde. Aus diesen Messungen konnten Erkenntnisse über die Relaxation des DTE erlangt werden. Auf diese Weise war es möglich, bei einigen der Moleküle die Ringöffnungsreaktion zu beobachten und zu charakterisieren. Im Fall von Dyade 4 konnten zusätzlich kohärente Schwingungen des Moleküls nach Photoanregung detektiert werden, die sich anhand einer Frequenzmodulation der Absorptionsbande des BODIPY-Teils über einen Zeitbereich von 2 ps beobachten ließen.
Synaptic vesicle (SV) recycling enables ongoing transmitter release, even during prolonged activity. SV membrane and proteins are retrieved by ultrafast endocytosis and new SVs are formed from synaptic endosomes (large vesicles—LVs). Many proteins contribute to SV recycling, e.g., endophilin, synaptojanin, dynamin and clathrin, while the site of action of these proteins (at the plasma membrane (PM) vs. at the endosomal membrane) is only partially understood. Here, we investigated the roles of endophilin A (UNC-57), endophilin-related protein (ERP-1, homologous to human endophilin B1) and of clathrin, in SV recycling at the cholinergic neuromuscular junction (NMJ) of C. elegans. erp-1 mutants exhibited reduced transmission and a progressive reduction in optogenetically evoked muscle contraction, indicative of impaired SV recycling. This was confirmed by electrophysiology, where particularly endophilin A (UNC-57), but also endophilin B (ERP-1) mutants exhibited reduced transmission. By optogenetic and electrophysiological analysis, phenotypes in the unc-57; erp-1 double mutant are largely dominated by the unc-57 mutation, arguing for partially redundant functions of endophilins A and B, but also hinting at a back-up mechanism for neuronal endocytosis. By electron microscopy (EM), we observed that unc-57 and erp-1; unc-57 double mutants showed increased numbers of synaptic endosomes of large size, assigning a role for both proteins at the endosome, because endosomal disintegration into new SVs, but not formation of endosomes were hampered. Accordingly, only low amounts of SVs were present. Also erp-1 mutants show reduced SV numbers (but no increase in LVs), thus ERP-1 contributes to SV formation. We analyzed temperature-sensitive mutants of clathrin heavy chain (chc-1), as well as erp-1; chc-1 and unc-57; chc-1 double mutants. SV recycling phenotypes were obvious from optogenetic stimulation experiments. By EM, chc-1 mutants showed formation of numerous and large endosomes, arguing that clathrin, as shown for mammalian synapses, acts at the endosome in formation of new SVs. Without endophilins, clathrin formed endosomes at the PM, while endophilins A and B compensated for the loss of clathrin at the PM, under conditions of high SV turnover.
The bile acid activated transcription factor farnesoid X receptor (FXR) regulates numerous metabolic processes and is a rising target for the treatment of hepatic and metabolic disorders. FXR agonists have revealed efficacy in treating non-alcoholic steatohepatitis (NASH), diabetes and dyslipidemia. Here we characterize imatinib as first-in-class allosteric FXR modulator and report the development of an optimized descendant that markedly promotes agonist induced FXR activation in a reporter gene assay and FXR target gene expression in HepG2 cells. Differential effects of imatinib on agonist-induced bile salt export protein and small heterodimer partner expression suggest that allosteric FXR modulation could open a new avenue to gene-selective FXR modulators.
Background: Immigration has a strong impact on the development of health systems, medicine and science worldwide. Therefore, this article provides a descriptive study on the overall research output.
Methods: Utilizing the scientific database Web of Science, data research was performed. The gathered bibliometric data was analyzed using the established platform NewQIS, a benchmarking system to visualize research quantity and quality indices.
Findings: Between 1900 and 2016 a total of 6763 articles on immigration were retrieved and analyzed. 86 different countries participated in the publications. Quantitatively the United States followed by Canada and Spain were prominent regarding the article numbers. On comparing by additionally taking the population size into account, Israel followed by Sweden and Norway showed the highest performance. The main releasing journals are the Public Health Reports, the Journal of Immigrant and Minority Health and Social Science & Medicine. Over the decades, an increasing number of Public, Environmental & Occupational Health articles can be recognized which finally forms the mainly used subject area.
Conclusion: Considerably increasing scientific work on immigration cannot only be explained by the general increase of scientific work but is also owed to the latest development with increased mobility, worldwide crises and the need of flight and migration. Especially countries with a good economic situation are highly affected by immigrants and prominent in their publication output on immigration, since the countries’ publication effort is connected with the appointed expenditures for research and development. Remarkable numbers of immigrants throughout Europe compel medical professionals to consider neglected diseases, requires the public health system to restructure itself and finally promotes science.
The identification of inhibitors of eukaryotic protein biosynthesis, which are targeting single translation factors, is highly demanded. Here we report on a small molecule inhibitor, gephyronic acid, isolated from the myxobacterium Archangium gephyra that inhibits growth of transformed mammalian cell lines in the nM range. In direct comparison, primary human fibroblasts were shown to be less sensitive to toxic effects of gephyronic acid than cancer-derived cells. Gephyronic acid is targeting the protein translation system. Experiments with IRES dual luciferase reporter assays identified it as an inhibitor of the translation initiation. DARTs approaches, co-localization studies and pull-down assays indicate that the binding partner could be the eukaryotic initiation factor 2 subunit alpha (eIF2α). Gephyronic acid seems to have a different mode of action than the structurally related polyketides tedanolide, myriaporone, and pederin and is a valuable tool for investigating the eukaryotic translation system. Because cancer derived cells were found to be especially sensitive, gephyronic acid could potentially find use as a drug candidate.
TEMPO spin labels protected with 2-nitrobenzyloxymethyl groups were attached to the amino residues of three different nucleosides: deoxycytidine, deoxyadenosine, and adenosine. The corresponding phosphoramidites could be incorporated by unmodified standard procedures into four different self-complementary DNA and two RNA oligonucleotides. After photochemical removal of the protective group, elimination of formic aldehyde and spontaneous air oxidation, the nitroxide radicals were regenerated in high yield. The resulting spin-labeled palindromic duplexes could be directly investigated by PELDOR spectroscopy without further purification steps. Spin–spin distances measured by PELDOR correspond well to the values obtained from molecular models.