Phospholipids of lipid-containing bacteriophages and their transbilayer distribution

In this study we used electro-spray ionization mass-spectrometry to determine phospholipid class and molecular species compositions in bacteriophages PM2, PRD1, Bam35 and phi6 as well as their hosts. To obtain compositional data of the individual leaflets, phospholipid transbilayer distribution in the viral membranes was studied. We found that 1) the membranes of all studied bacteriophage are enriched in PG as compared to the host membranes, 2) molecular species compositions in the phage and host membranes are similar, and 3) phospholipids in the viral membranes are distributed asymmetrically with phosphatidylglycerol enriched in the outer leaflet and phosphatidylethanolamine in the inner one (except Bam35). Alternative models for selective incorporation of phospholipids to phages and for the origins of the asymmetric phospholipid transbilayer distribution are discussed. Notably, the present data are also useful when constructing high resolution structural models of bacteriophages, since diffraction methods cannot provide a detailed structure of the membrane due to high motility of the lipids and lack of symmetric organization of membrane proteins.

CNS injury, γ1 laminin, and its KDI peptide

Nisäkkäillä keskushermoston uudistuminen on rajallista. Keskushermostovamman jälkeen aktivoituu monien paranemista edistävien tekijöiden lisäksi myös estäviä tekijöitä. Monella molekyylillä, kuten laminiinilla, on keskushermoston paranemista tehostava vaikutus. Laminiinit ovat myös kehon tyvikalvojen oleellisia rakennuskomponentteja. Keskushermoston laminiinit ovat tärkeitä sikiökehityksen aikana, esimerkiksi hermosäikeiden ohjauksessa. Myöhemmin ne osallistuvat veriaivoesteen ylläpitoon sekä vammojen jälkeiseen kudosreaktioon. Väitöskirjatutkimuksessani olen selvittänyt lamiiniinien, erityisesti γ1 laminiinin ja sen KDI peptidin, ekspressiota keskushermoston vammatilanteissa. Kokeellisessa soluviljelmäasetelmassa, joka simuloi vammautunutta keskushermostoympäristöä, osoitimme että KDI peptidi voimistaa sekä hermosolujen selviytymistä että hermosäikeiden kasvua. Kainihappo on glutamaattianalogi, ja glutamaattitoksisuudella uskotaan olevan tärkeä merkitys keskushermoston eri vamma- ja sairaustilanteissa tapahtuvassa hermosolukuolemassa. Toisessa väitöskirjani osatyössä osoitimme eläinmallissa KDI peptidin suojaavan rotan aivojen hippokampuksen hermosoluja kainihapon aiheuttamalta solutuholta. Elektrofysiologisilla mittauksilla osoitimme kolmannessa osatyössäni, että KDI peptidi estää glutamaattireseptorivirtoja ja suojaa siten glutamaattitoksisuudelta. Aivoveritulpan aiheuttama aivovaurio on yleinen syy aivohalvaukseen. Viimeisessä osatyössäni tutkimme eläinmallissa laminiinien ekspressiota iskemian vaurioittamassa aivokudoksessa. Laminiiniekspression todettiin voimistuvan vaurion jälkeen sekä tyvikalvo- että soluväliainerakenteissa. Vaurion ympärillä havaittiin astrosyyttejä, jotka jo melko aikaisessa vaiheessa vamman jälkeen ekspressoivat γ1 laminiinia ja KDI peptidiä. Tästä voidaan päätellä laminiinien osallistuvan aivoiskeemisen vaurion patofysiologiaan. Yleisesti väitöskirjatyöni kartoitti laminiinien ekspressiota sekä terveessä että vammautuneessa keskushermostossa. Väitöskirjatyöni tukee hypoteesia, jonka mukaan KDI peptidi suojaa keskushermostoa vaurioilta.

Sticking and erosion at carbon-containing plasma-facing materials in fusion reactors

Controlled nuclear fusion is one of the most promising sources of energy for the future. Before this goal can be achieved, one must be able to control the enormous energy densities which are present in the core plasma in a fusion reactor. In order to be able to predict the evolution and thereby the lifetime of different plasma facing materials under reactor-relevant conditions, the interaction of atoms and molecules with plasma first wall surfaces have to be studied in detail. In this thesis, the fundamental sticking and erosion processes of carbon-based materials, the nature of hydrocarbon species released from plasma-facing surfaces, and the evolution of the components under cumulative bombardment by atoms and molecules have been investigated by means of molecular dynamics simulations using both analytic potentials and a semi-empirical tight-binding method. The sticking cross-section of CH3 radicals at unsaturated carbon sites at diamond (111) surfaces is observed to decrease with increasing angle of incidence, a dependence which can be described by a simple geometrical model. The simulations furthermore show the sticking cross-section of CH3 radicals to be strongly dependent on the local neighborhood of the unsaturated carbon site. The erosion of amorphous hydrogenated carbon surfaces by helium, neon, and argon ions in combination with hydrogen at energies ranging from 2 to 10 eV is studied using both non-cumulative and cumulative bombardment simulations. The results show no significant differences between sputtering yields obtained from bombardment simulations with different noble gas ions. The final simulation cells from the 5 and 10 eV ion bombardment simulations, however, show marked differences in surface morphology. In further simulations the behavior of amorphous hydrogenated carbon surfaces under bombardment with D^+, D^+2, and D^+3 ions in the energy range from 2 to 30 eV has been investigated. The total chemical sputtering yields indicate that molecular projectiles lead to larger sputtering yields than atomic projectiles. Finally, the effect of hydrogen ion bombardment of both crystalline and amorphous tungsten carbide surfaces is studied. Prolonged bombardment is found to lead to the formation of an amorphous tungsten carbide layer, regardless of the initial structure of the sample. In agreement with experiment, preferential sputtering of carbon is observed in both the cumulative and non-cumulative simulations

POP-inhibiittorin KYP-2047 vaikutukset angiogeneesiin in vitro

Angiogeneesi on tärkeä ilmiö elimistön fysiologiassa, mutta myös lukuisissa patologisissa tiloissa. Angiogeneesi on monivaiheinen prosessi, joka sisältää angiogeneesiä indusoivia ja sitä inhiboivia tekijöitä tasapainossa keskenään. Useat tutkimukset puoltavat sitä, että tymosiini ȕ4 (Tȕ4) ja tetrapeptidi Ac-SDKP (N-asetyyliseryyli- aspartyyli-lysyyli-proliini) indusoivat angiogeneesiä in vitro ja in vivo. Tutkimukset viittaavat myös siihen, että prolyylioligopeptidaasi (POP) hydrolysoi peptidifragmentin Ac- SDKP Tȕ4:n (43 ah) proliinin jälkeen. POP on laajalti esiintyvä seriiniproteaasi, joka pystyy pilkkomaan vain alle 30 aminohapon oligopeptidejä. Tȕ4:n tulee siksi pilkkoutua ensin jonkin, vielä tuntemattoman peptidaasin johdosta. POP:ia on löydetty eniten aivoista, minkä vuoksi sitä on tutkittu varsinkin muistin ja oppimisen häiriötiloissa sekä neurodegeneratiivisten sairausten yhteydessä. POP:in todellinen fysiologinen merkitys on kuitenkin vielä selvittämättä. Tämän pro gradun kirjallisuusosiossa selvitetään angiogeneesiin liittyvien tekijöiden yhteyksiä sekä kuvataan angiogeenisten Tȕ4:n, Ac-SDKP:n ja POP:in ominaisuuksia, esiintymistä ja toimintaa. Kokeellisen osion tarkoituksena oli osoittaa, osallistuvatko POP ja Tȕ4 tetrapeptidin Ac-SDKP muodostumiseen ja kapillaarimuodostumiseen ja edelleen, voidaanko POPaktiivisuutta, tetrapeptidi- ja kapillaarimuodostumista estää spesifisellä POP-inhibiittorilla, KYP-2047:llä. Kokeellinen osa oli kaksiosainen. Ensimmäisessä osassa tutkittiin POPaktiivisuutta ja suoritettiin Ac-SDKP –pitoisuusmittauksia ajanjaksolla 0-180 min Wistarkannan rotista tehdyillä homogenaateilla. Tutkimusryhminä olivat 0,1 ja 0,5 μM KYP-2047 (+2 μM Tȕ4), 1:20 (0,625 μM) humaaniperäinen rekombinantti-POP (+ 2 μM Tȕ4), 2 μM Tȕ4 (pos. kontrolli) ja raakahomogenaatti (neg. kontrolli). Toisessa osassa tutkittiin kapillaarimuodostumista ajanjaksolla 0-180 min humaaniperäisillä napanuoralaskimon primaariendoteelisoluilla MatrigelTM Matrix -päällystetyllä 48- kuoppalevyllä, jolle oli siirrostettu 50 000 solua/kuoppa. Naudan seerumilla ja antibiooteilla käsitellyt tutkimusryhmät olivat 5 ja 10 μM KYP-2047 (+4 μM Tȕ4), 1:20 (0,625 μM) humaaniperäinen rekombinantti-POP (+4 μM Tȕ4), 4 μM Tȕ4 (pos. kontrolli) ja DMEM (neg. kontrolli). Kuoppia inkuboitiin ja kapillaarimuodostuminen kuvattiin valomikroskoopilla digitaalikameralla. Kutakin tutkimusryhmää pipetoitiin kolmeen rinnakkaiseen kuoppaan ja kokeet toistettiin neljästi. Sulkeutuneiden kapillaarien lukumäärä laskettiin manuaalisesti ja tuloksista tehtiin tilastollinen analyysi. 7ȕ4:n ja POP:in havaittiin molempien osallistuvan tetrapeptidin AC-SDKP muodostumiseen munuaishomogenaateissa. Primaariendoteelisolut muodostivat selkeitä kapillaareja Matrigelilla, erityisesti POP- ja Tȕ4–ryhmissä. KYP-2047 inhiboi tehokkaasti POP:ia kaikissa kokeissa osoittautuen hyväksi antiangiogeeniseksi yhdisteeksi. Angiogeneesin mekanismien ja POP:in, Tȕ4:n ja Ac-SDKP:n yhteyksien selvittäminen vaatii luonnollisesti vielä lisätutkimuksia.

Functions of Alphavirus Macrodomain-containing protein nsP3

Alphaviruses are positive strand RNA viruses that replicate in association with cellular membranes. The viral RNA replication complex consists of four non-structural proteins nsP1-nsP4 which are essential for viral replication. The functions of nsP1, nsP2 and nsP4 are well established, but the roles of nsP3 are mainly unknown. In this work I have clarified some of the functions of nsP3 in order to better understand the importance of this protein in virus replication. Semliki Forest virus (SFV) has been mostly used as a model alphavirus during this work, but some experiments have also been conducted with Sindbis and Chikungunya viruses. NsP3 is composed of three different protein domains. The N-terminus of nsP3 contains an evolutionarily conserved macrodomain, the central part of nsP3 contains a domain that is only found in alphaviruses, and the C-terminus of the protein is hypervariable and predicted to be unstructured. In this work I have analyzed the functions of nsP3 macrodomain, and shown that viral macrodomains bind poly(ADP-ribose) and that they do not resemble cellular macrodomains in their properties. Furthermore, I have shown that some macrodomains, including viral macrodomains of SFV and hepatitis E virus, also bind poly(A). Mutations in the ligand binding pocket of SFV macrodomain hamper virus replication but do not confer lethality, indicating that macrodomain function is beneficial but not mandatory for virus replication. The hypervariable C-terminus of nsP3 is heavily phosphorylated and is enriched in proline residues. In this work it is shown that this region harbors an SH3 domain binding motif (Sh3BM) PxRxPR through which cellular amphiphysin is recruited to viral replication sites and to nsP3 containing cytoplasmic aggregate structures. The function of Sh3BM was destroyed by a single point mutation, which led to impaired viral RNA replication in HeLa cells, pointing out the functional importance of amphiphysin recruitment by the Sh3BM. In addition, evidence is provided tho show that the endosomal localization of alphavirus replication is mediated by nsP3 and that the phosphorylation of hypervariable region might be important for the endosomal targeting. Together these findings demonstrate that nsP3 contains multiple important host interaction motifs and domains, which facilitate successful viral propagation in host cells.