Metabolic engineering of beta-oxidation in Penicillium chrysogenum for improved semi-synthetic cephalosporin biosynthesis

Industrial production of semi-synthetic cephalosporins by Penicillium chrysogenum requires supplementation of the growth media with the side-chain precursor adipic acid. In glucose-limited chemostat cultures of P. chrysogenum, up to 88% of the consumed adipic acid was not recovered in cephalosporinrelated products, but used as an additional carbon and energy source for growth. This low efficiency of side-chain precursor incorporation provides an economic incentive for studying and engineering the metabolism of adipic acid in P. cluysogenum. Chemostat-based transcriptome analysis in the presence and absence of adipic acid confirmed that adipic acid metabolism in this fungus occurs via beta-oxidation. A set of 52 adipate-responsive genes included six putative genes for acyl-CoA oxidases and dehydrogenases, enzymes responsible for the first step of beta-oxidation. Subcellular localization of the differentially expressed acyl-CoA oxidases and dehydrogenases revealed that the oxidases were exclusively targeted to peroxisomes, while the dehydrogenases were found either in peroxisomes or in mitochondria. Deletion of the genes encoding the peroxisomal acyl-CoA oxidase Pc20g01800 and the mitochondrial acyl-CoA dehydrogenase Pc20g07920 resulted in a 1.6- and 3.7-fold increase in the production of the semi-synthetic cephalosporin intermediate adipoyl-6-APA, respectively. The deletion strains also showed reduced adipate consumption compared to the reference strain, indicating that engineering of the first step of beta-oxidation successfully redirected a larger fraction of adipic acid towards cephalosporin biosynthesis. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

A possible new mechanism for the control of miRNA expression in neurons

The control of gene expression by miRNAs has been widely investigated in different species and cell types. Following a probabilistic rather than a deterministic regimen, the action of these short nucleotide sequences on specific genes depends on intracellular concentration,which in turn reflects the balance between biosynthesis and degradation. Recent studies have described the involvement of XRN2, an exoribonuclease, in miRNA degradation and PAPD4, an atypical poly(A) polymerase, in miRNA stability. Herein, we examined the expression of XRN2 and PAPD4 in developing and adult rat hippocampi. Combining bioinformatics and real-time PCR,we demonstrated that XRN2 and PAPD4 expression is regulated by the uncorrelated action of transcription factors, resulting in distinct gene expression profiles during development. Analyses of nuclei position and nestin labeling revealed that both proteins progressively accumulated during neuronal differentiation, and that they are weakly expressed in immature neurons and absent in glial and endothelial cells. Despite the differences in subcellular localization, both genes were concurrently identified within identical neuronal subpopulations, including specific inhibitory interneurons. Thus, we cope with a singular circumstance in biology: an almost complete intersected expression of functional-opposed genes, reinforcing that their antagonistically driven actions on miRNAs “make sense” if simultaneously present at the same cells. Considering that the transcriptome in the nervous system is finely tuned to physiological processes, it was remarkable that miRNA stability-related genes were oncurrently identified in neurons that play essential roles in cognitive functions such as memory and learning. In summary, this study reveals a possible new mechanism for the control of miRNA expression.

Reverse genetic studies of Benyvirus - Polymyxa betae molecular interaction: Role of the RNA4-encoded protein in virus transmission

Beet necrotic yellow vein virus (BNYVV), the leading infectious agent that affects sugar beet, is included within viruses transmitted through the soil from plasmodiophorid as Polymyxa betae. BNYVV is the causal agent of Rhizomania, which induces abnormal rootlet proliferation and is widespread in the sugar beet growing areas in Europe, Asia and America; for review see (Peltier et al., 2008). In this latter continent, Beet soil-borne mosaic virus (BSBMV) has been identified (Lee et al., 2001) and belongs to the benyvirus genus together with BNYVV, both vectored by P. betae. BSBMV is widely distributed only in the United States and it has not been reported yet in others countries. It was first identified in Texas as a sugar beet virus morphologically similar but serologically distinct to BNYVV. Subsequent sequence analysis of BSBMV RNAs evidenced similar genomic organization to that of BNYVV but sufficient molecular differences to distinct BSBMV and BNYVV in two different species (Rush et al., 2003). Benyviruses field isolates usually consist of four RNA species but some BNYVV isolates contain a fifth RNA. RNAs -1 contains a single long ORF encoding polypeptide that shares amino acid homology with known viral RNA-dependent RNA polymerases (RdRp) and helicases. RNAs -2 contains six ORFs: capsid protein (CP), one readthrough protein, triple gene block proteins (TGB) that are required for cell-to-cell virus movement and the sixth 14 kDa ORF is a post-translation gene silencing suppressor. RNAs -3 is involved on disease symptoms and is essential for virus systemic movement. BSBMV RNA-3 can be trans-replicated, trans-encapsidated by the BNYVV helper strain (RNA-1 and -2) (Ratti et al., 2009). BNYVV RNA-4 encoded one 31 kDa protein and is essential for vector interactions and virus transmission by P. betae (Rahim et al., 2007). BNYVV RNA-5 encoded 26 kDa protein that improve virus infections and accumulation in the hosts. We are interest on BSBMV effect on Rhizomania studies using powerful tools as full-length infectious cDNA clones. B-type full-length infectious cDNA clones are available (Quillet et al., 1989) as well as A/P-type RNA-3, -4 and -5 from BNYVV (unpublished). A-type BNYVV full-length clones are also available, but RNA-1 cDNA clone still need to be modified. During the PhD program, we start production of BSBMV full-length cDNA clones and we investigate molecular interactions between plant and Benyviruses exploiting biological, epidemiological and molecular similarities/divergences between BSBMV and BNYVV. During my PhD researchrs we obtained full length infectious cDNA clones of BSBMV RNA-1 and -2 and we demonstrate that they transcripts are replicated and packaged in planta and able to substitute BNYVV RNA-1 or RNA-2 in a chimeric viral progeny (BSBMV RNA-1 + BNYVV RNA-2 or BNYVV RNA-1 + BSBMV RNA-2). During BSBMV full-length cDNA clones production, unexpected 1,730 nts long form of BSBMV RNA-4 has been detected from sugar beet roots grown on BSBMV infected soil. Sequence analysis of the new BSBMV RNA-4 form revealed high identity (~100%) with published version of BSBMV RNA-4 sequence (NC_003508) between nucleotides 1-608 and 1,138-1,730, however the new form shows 528 additionally nucleotides between positions 608-1,138 (FJ424610). Two putative ORFs has been identified, the first one (nucleotides 383 to 1,234), encode a protein with predicted mass of 32 kDa (p32) and the second one (nucleotides 885 to 1,244) express an expected product of 13 kDa (p13). As for BSBMV RNA-3 (Ratti et al., 2009), full-length BSBMV RNA-4 cDNA clone permitted to obtain infectious transcripts that BNYVV viral machinery (Stras12) is able to replicate and to encapsidate in planta. Moreover, we demonstrated that BSBMV RNA-4 can substitute BNYVV RNA-4 for an efficient transmission through the vector P. betae in Beta vulgaris plants, demonstrating a very high correlation between BNYVV and BSBMV. At the same time, using BNYVV helper strain, we studied BSBMV RNA-4’s protein expression in planta. We associated a local necrotic lesions phenotype to the p32 protein expression onto mechanically inoculated C. quinoa. Flag or GFP-tagged sequences of p32 and p13 have been expressed in viral context, using Rep3 replicons, based on BNYVV RNA-3. Western blot analyses of local lesions contents, using FLAG-specific antibody, revealed a high molecular weight protein, which suggest either a strong interaction of BSBMV RNA4’s protein with host protein(s) or post translational modifications. GFP-fusion sequences permitted the subcellular localization of BSBMV RNA4’s proteins. Moreover we demonstrated the absence of self-activation domains on p32 by yeast two hybrid system approaches. We also confirmed that p32 protein is essential for virus transmission by P. betae using BNYVV helper strain and BNYVV RNA-3 and we investigated its role by the use of different deleted forms of p32 protein. Serial mechanical inoculation of wild-type BSBMV on C. quinoa plants were performed every 7 days. Deleted form of BSBMV RNA-4 (1298 bp) appeared after 14 passages and its sequence analysis shows deletion of 433 nucleotides between positions 611 and 1044 of RNA-4 new form. We demonstrated that this deleted form can’t support transmission by P. betae using BNYVV helper strain and BNYVV RNA-3, moreover we confirmed our hypothesis that BSBMV RNA-4 described by Lee et al. (2001) is a deleted form. Interesting after 21 passages we identifed one chimeric form of BSBMV RNA-4 and BSBMV RNA-3 (1146 bp). Two putative ORFs has been identified on its sequence, the first one (nucleotides 383 to 562), encode a protein with predicted mass of 7 kDa (p7), corresponding to the N-terminal of p32 protein encoded by BSBMV RNA-4; the second one (nucleotides 562 to 789) express an expected product of 9 kDa (p9) corresponding to the C-terminal of p29 encoded by BSBMV RNA-3. Results obtained by our research in this topic opened new research lines that our laboratories will develop in a closely future. In particular BSBMV p32 and its mutated forms will be used to identify factors, as host or vector protein(s), involved in the virus transmission through P. betae. The new results could allow selection or production of sugar beet plants able to prevent virus transmission then able to reduce viral inoculum in the soil.

Expressions- und Funktionsanalysen von Neuroglobin und Cytoglobin

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden Untersuchungen zur Expression und Funktion der respiratorischen Proteine Neuroglobin (Ngb) und Cytoglobin (Cygb) in Vertebraten durchgeführt. Beide Globine wurden erst kürzlich entdeckt, und ihre Funktionen konnten trotz vorliegender Daten zur Struktur und biochemischen Eigenschaften dieser Proteine bisher nicht eindeutig geklärt werden. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Arbeit wurde die zelluläre und subzelluläre Lokalisation von Neuroglobin und Cytoglobin in murinen Gewebeschnitten untersucht. Die Expression von Ngb in neuronalen und endokrinen Geweben hängt offensichtlich mit den hohen metabolischen Aktivitäten dieser Organe zusammen. Insbesondere im Gehirn konnten regionale Unterschiede in der Ngb-Expression beobachtet werden. Dabei korrelierte eine besonders starke Neuroglobin-Expression mit Gehirnbereichen, die bekanntermaßen die höchsten Grundaktivitäten aufweisen. In Anbetracht dessen liegt die Funktion des Neuroglobins möglicherweise im basalen O2-Metabolismus dieser Gewebe, wobei Ngb als O2-Lieferant und kurzfristiger O2-Speicher den vergleichsweise hohen Sauerstoffbedarf vor Ort sicherstellen könnte. Weitere Funktionen in der Entgiftung von ROS bzw. RNS oder die kürzlich publizierte mögliche Rolle des Ngb bei der Verhinderung der Mitochondrien-vermittelten Apoptose durch eine Reduktion des freigesetzten Cytochrom c wären darüber hinaus denkbar. Die Cygb-Expression im Gehirn beschränkte sich auf relativ wenige Neurone in verschiedenen Gehirnbereichen und zeigte dort vorwiegend eine Co-Lokalisation mit der neuronalen NO-Synthase. Dieser Befund legt eine Funktion des Cytoglobins im NO-Metabolismus nahe. Quantitative RT-PCR-Experimente zur mRNA-Expression von Ngb und Cygb in alternden Säugern am Bsp. der Hamsterspezies Phodopus sungorus zeigten keine signifikanten Änderungen der mRNA-Mengen beider Globine in alten im Vergleich zu jungen Tieren. Dies widerspricht publizierten Daten, in denen bei der Maus anhand von Western Blot-Analysen eine Abnahme der Neuroglobin-Menge im Alter gezeigt wurde. Möglicherweise handelt es sich hierbei um speziesspezifische Differenzen. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte vergleichende Sequenzanalyse der humanen und murinen NGB/Ngb-Genregion liefert zum einen Hinweise auf die mögliche Regulation der Ngb-Expression und zum anderen eine wichtige Grundlage für die funktionellen Analysen dieses Gens. Es konnte ein minimaler Promotorbereich definiert werden, der zusammen mit einigen konservierten regulatorischen Elementen als Basis für experimentelle Untersuchungen der Promotoraktivität in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen dienen wird. Bioinformatische Analysen führten zur Identifizierung des sog. „neuron restrictive silencer element“ (NRSE) im Ngb-Promotor, welches vermutlich für die vorwiegend neuronale Expression des Proteins verantwortlich ist. Die kontrovers diskutierte O2-abhängige Regulation der Ngb-Expression konnte hingegen anhand der durchgeführten komparativen Sequenzanalysen nicht bestätigt werden. Es wurden keine zwischen Mensch und Maus konservierten Bindestellen für den Transkriptionsfaktor HIF-1 identifiziert, der die Expression zahlreicher hypoxieregulierter Gene, z.B. Epo und VEGF, vermittelt. Zusammen mit den in vivo-Daten spricht dies eher gegen eine Regulation der Ngb-Expression bei verminderter Verfügbarkeit von Sauerstoff. Die Komplexität der Funktionen von Ngb und Cygb im O2-Stoffwechsel der Vertebraten macht den Einsatz muriner Modellsysteme unerlässlich, die eine sukzessive Aufklärung der Funktionen beider Proteine erlauben. Die vorliegende Arbeit liefert auch dazu einen wichtigen Beitrag. Die hergestellten „gene-targeting“-Vektorkonstrukte liefern in Verbindung mit den etablierten Nachweisverfahren zur Genotypisierung von embryonalen Stammzellen die Grundlage zur erfolgreichen Generierung von Ngb-knock out sowie Ngb- und Cygb-überexprimierenden transgenen Tieren. Diese werden für die endgültige Entschlüsselung funktionell relevanter Fragestellungen von enormer Bedeutung sein.

SANS (USH1G) in USH-Proteinnetzwerken von Photorezeptorzellen der Vertebratenretina

Das Usher Syndrom (USH) führt beim Menschen zur häufigsten Form erblicher Taub-Blindheit und wird aufgrund klinischer Merkmale in drei Typen unterteilt (USH1-3). Das Ziel dieser Arbeit war die Analyse der Expression und subzellulären Lokalisation des USH1G-Proteins SANS („Scaffold protein containing Ankyrin repeats and SAM domain“) in der Retina. Ein weiterer Fokus lag auf der Identifikation neuer Interaktionspartner zur funktionellen Charakterisierung von SANS. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte ein USH-Proteinnetzwerk identifiziert werden, das im Verbindungscilium und benachbarter Struktur, dem apikalen Innensegment von Photorezeptorzellen lokalisiert ist. Als Netzwerkkomponenten konnten die USH-Proteine SANS, USH2A Isoform b (USH2A), VLGR1b („Very Large G-protein coupled Receptor 1b“, USH2C) sowie Whirlin (USH2D) ermittelt werden. Innerhalb dieses Netzwerkes interagieren die Gerüstproteine SANS und Whirlin direkt miteinander. Die Transmembranproteine USH2A Isoform b und VLGR1b sind durch die direkte Interaktion mit Whirlin in ciliären-periciliären Membranen verankert und projizieren mit ihren langen Ektodomänen in den extrazellulären Spalt zwischen Verbindungscilium und apikalem Innensegment. Darüber hinaus konnte die Partizipation von SANS an Mikrotubuli-assoziiertem Vesikeltransport durch Identifikation neuer Interaktionspartner, wie dem MAGUK-Protein MAGI-2 („Membrane-Associated Guanylate Kinase Inverted-2“) sowie Dynaktin-1 (p150Glued) eruiert werden. Die Funktion des ciliären-periciliären USH-Proteinnetzwerkes könnte demnach in der Aufrechterhaltung benachbarter Membranstrukturen sowie der Beteiligung der Positionierung und Fusion von Transportvesikeln liegen.

LRP1 modulates APP trafficking and APP metabolism within compartments of the secretory pathway. Increased AICD generation is ineffective in nuclear translocation and transcriptional activation

LRP1 modulates APP trafficking and metabolism within compartments of the secretory pathway The amyloid precursor protein (APP) is the parent protein to the amyloid beta peptide (Abeta) and is a central player in Alzheimer’s disease (AD) pathology. Abeta liberation depends on APP cleavage by beta- and gamma-secretases. To date, only a unilateral view of APP processing exists, excluding other proteins, which might be transported together and/or processed dependent on each other by the secretases described above. The low density lipoprotein receptor related protein 1 (LRP1) was shown to function as such a mediator of APP processing at multiple steps. Newly synthesized LRP1 can interact with APP, implying an interaction between these two proteins early in the secretory pathway. Therefore, we wanted to investigate whether LRP1 can mediate APP trafficking along the secretory pathway, and, if so, whether it affects APP processing. Indeed, we demonstrate that APP trafficking is strongly influenced by LRP1 transport through the endoplasmic reticulum (ER) and Golgi compartments. LRP1-constructs with ER- and Golgi-retention motifs (LRP-CT KKAA, LRP-CT KKFF) had the capacity to retard APP trafficking at the respective steps in the secretory pathway. Here, we provide evidence that APP metabolism occurs in close conjunction with LRP1 trafficking, highlighting a new role of lipoprotein receptors in neurodegenerative diseases. Increased AICD generation is ineffective in nuclear translocation and transcriptional activity A sequence of amyloid precursor protein (APP) cleavages gives rise to the APP intracellular domain (AICD) together with amyloid beta peptide (Abeta) and/or p3 fragment. One of the environmental factors identified favouring the accumulation of AICD appears to be a rise in intracellular pH. This accumulation is a result of an abrogated cleavage event and does not extend to other secretase substrates. AICD can activate the transcription of artificially expressed constructs and many downstream gene targets have been discussed. Here we further identified the metabolism and subcellular localization of the constructs used in this well documented gene reporter assay. We also co-examined the mechanistic lead up to the AICD accumulation and explored possible significances for its increased expression. We found that most of the AICD generated under pH neutralized conditions is likely that cleaved from C83. Furthermore, the AICD surplus is not transcriptionally active but rather remains membrane tethered and free in the cytosol where it interacts with Fe65. However, Fe65 is still essential in AICD mediated transcriptional transactivation although its exact role in this set of events is unclear.

Der Wirkungsmechanismus von Neurosteroiden auf das Cytoskelett neuronaler Zellen

Neurosteroide können langsame genomische und schnelle nicht-genomische Effekte zeigen. Die Synthese und der Metabolismus von Neurosteroiden werden entwicklungsbedingt reguliert. In den letzten Jahren sind immer mehr schnelle Steroideffekte bekannt geworden, die sowohl über klassische als auch über nicht-klassische Rezeptoren laufen. Zum heutigen Stand der Forschung sind die morphologischen Effekte von Neurosteroiden auf das neuronale Cytoskelett und die involvierten Signalkaskaden noch weitgehend unerforscht. In diesem Zusammenhang stellen sich auch die Fragen nach den verantwortlichen Rezeptoren und dem Transportmechanismus sowie der subzellulären Lokalisation der Steroide. Die im Rahmen meiner Promotion erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die Steroide DHEA und Testosteron eine Reorganisation des Aktincytoskeletts in neuronalen Zellen induzieren und dass diese Effekte diesen Steroiden und nicht ihren Folgemetaboliten zuzuordnen sind. DHEA bewirkt die Kontraktion der Zellen, eine erhöhte Ausbildung von Stressfasern und fokalen Adhäsionskomplexen sowie die Bildung von Filopodien. Der diesen Effekten zu Grunde liegende Signalweg konnte eindeutig identifiziert werden. DHEA induziert in neuronalen Zellen die Aktivierung des Rho-Signalwegs. Diese Aktivierung führt zu einem erhöhten Phosphorylierungsstatus der regulatorischen leichten Kette von Myosin II (MRLC) an Serin 19 und der damit verbundenen erhöhten Myosin-Aktin-Interaktion. Die Ausbildung von Filopodien wird vermutlich über eine Aktivierung der GTPase Cdc42 vermittelt. Testosteron induziert das Auswachsen langer Neuriten sowie eine Verminderung von Stressfasern in neuronalen Zellen. Diese Effekte sind abhängig von der Aktivität der PI3-Kinase. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass Testosteron über die PI3-Kinase und FAK den Rac-Signalweg induziert, da es zu einer Inhibierung des Rho-Signalwegs kommt. Zahlreiche Erkenntnisse weisen darauf hin, dass DHEA und Testosteron die Aktivierung der beteiligten Signalwege über einen G-Protein gekoppelten Rezeptor induzieren. DHEA und Testosteron beeinflussen auch die Expression und die Lokalisation der regulatorischen leichten Ketten von Myosin II. Im Gegensatz zu DHEA (Lokalisation der MRLC in der kortikalen Region der Zelle), induziert Testosteron eine Umlokalisation der MRLC in den Zellkern. Daher ist es denkbar, dass die MRLCs, wie auch Aktin, als Transkriptionsfaktoren wirken können. Die Synthese eines funktionalen, fluoreszierenden DHEA-Derivats (DHEA-Bodipy) ermöglichte erstmals, den Transport und die subzelluläre Lokalisation von DHEA in neuronalen Zellen zu beobachten. DHEA-Bodipy wird in neuronalen Zellen in den Mitochondrien lokalisiert. Diese Lokalisation ergibt völlig neue Ansätze im Verständnis zellulärer Wirkungsorte von Steroiden und beteiligter Rezeptoren. Das in meiner Arbeit vorgestellte Verfahren zur Fluoreszenzmarkierung von Steroiden bietet vielfältige Möglichkeiten im Einsatz zellbiologischer Methoden. Nach diesem Verfahren hergestellte, fluoreszierende Steroide eignen sich aufgrund ihrer Stabilität sehr gut für die Untersuchung des Transports und der subzellulären Lokalisation von Steroiden an fixierten und lebenden Zellen sowie für Colokalisationsexperimente. Diese Methode grenzt somit auch die Anzahl möglicher molekularer Interaktionspartner ein. Für Testosteron konnte ebenfalls ein fluoreszierendes Testosteron-Derivat (Testosteron-Bodipy) synthetisiert werden. Die Aufklärung der Effekte von Steroiden auf das neuronale Cytoskelett und der beteiligten Signalkaskaden sowie die Identifizierung der zellulären Wirkungsorte ermöglichen therapeutische Ansätze zur Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen, deren Ursachen in Abnormitäten des Cytoskeletts oder fehlregulierter Neurosteroidogenese zu begründen sind.

Isolierung und Charakterisierung der ER-residenten Aminopeptidase ERMP1 und Untersuchung ihrer Funktion in der Prozessierung MHC I restringierter CTL Epitope

Die effiziente Generierung von Peptid-Epitopen aus zelleigenen oder viralen Proteinen für die Präsentation auf „Major Histocompatibility Complex I“ (MHC I) Molekülen ist essentiell für die Aktivierung des adaptiven Immunsystems und die Effektorfunktion der CD8+ zytotoxischen T-Zellen (CTLs). CTLs erkennen diese Peptide in Kontext mit MHC I Molekülen über ihren spezifischen T-Zellrezeptor (TCR). Die Generierung dieser Epitope ist das Resultat eines komplexen proteolytischen Prozesses, der im Zytosol und im endoplasmatischen Retikulum (ER) stattfindet. Im Zytosol generiert das Proteasom N-terminal verlängerte Epitop-Vorläufer. Diese werden durch weitere zytosolische Proteasen abgebaut, es sei denn, sie werden durch den „transporter associated with antigen processing“ (TAP) in das ER transportiert. Dort werden sie durch Aminopeptidasen getrimmt, um den Bindungsvoraussetzungen der MHC I Moleküle zu genügen. Im murinen System ist die „ER aminopeptidase associated with antigen processing“ (ERAAP) die bislang einzige beschriebene Aminopeptidase, die dieses N-terminale Trimming von CTL Epitopen vermitteln kann. Das Profil der proteolytischen Aktivität in angereichertem murinen ER kann jedoch nicht allein durch die Aktivität von ERAAP erklärt werden, was auf die Anwesenheit weiterer Aminopeptidasen mit einer potentiellen Funktion in der Antigenprozessierung hinweist. In dieser Arbeit konnte die immunologisch bislang noch nicht beschriebene Aminopeptidase ERMP1 (endoplasmic reticulum metallopeptidase 1) im murinen ER identifiziert werden. Nach Aufreinigung muriner Mikrosomen und anschließender Anionenaustausch-Chromatographie wurden die gesammelten Fraktionen mit fluorogenen Substraten auf Aminopeptidase-Aktivität getestet. Durch massenspektrometrische Analyse konnten in den beobachteten Peaks die schon beschriebenen Aminopeptidasen ERAAP, die „insulin regulated aminopeptidase“ IRAP und die immunologisch bislang nicht beschriebene Aminopeptidase ERMP1 identifiziert werden. Durch Fluoreszenzmikroskopie konnte die intrazelluläre Lokalisation von ERMP1 im ER durch Kolokalisation mit TAP verifiziert werden. Wie viele Komponenten des MHC I Prozessierungsweges wird auch die Expression von ERMP1 durch IFN-γ stimuliert. Dies macht ERMP1 zu einer potentiellen zweiten trimmenden Aminopeptidase im murinen ER. Überexpression von ERMP1 hat einen allelspezifischen Einfluss auf die globale MHC I Präsentation auf der Zelloberfläche und durch Überexpression und shRNA vermitteltes gene silencing konnte außerdem ein epitopspezifischer Effekt nachgewiesen werden. Da N-terminales Trimming durch ERAAP mit der Evasion von Tumoren und veränderter Immundominanz assoziiert wird, ist die detaillierte Charakterisierung der Aminopeptidase ERMP1 ein wichtiger Schritt zum Verständnis der MHC I Antigen-Prozessierung und der Generierung von CTL Epitopen im ER.

Unmittelbare, dauerhafte sowie evolutionäre Anpassung an Fremdstoffexpositionen

Eine der Hauptursachen für unerwünschte oder reduzierte Wirkungen von Medikamenten ist die Induktion von Enzymen und Transportern des Medikamentenstoffwechsels. Diese Induktion stellt ursprünglich eine physiologische Reaktion auf die Aufnahme von potentiell schädlichen Fremdstoffen aus der Umwelt dar und sichert so die Gesundheit und Fortpflanzungsfähigkeit von Lebewesen. Beim Menschen sowie anderen Säugetieren werden Fremdstoffe hauptsächlich von den nukleären Rezeptoren PXR und CAR in der Leber und im Dünndarm detektiert. Zu den Medikamenten, welche über PXR und CAR wirken, gehören unter anderem Antikonvulsiva, Statine, antiretrovirale Medikamente, Glucocorticoide sowie Antimykotika. Die durch Fremdstoffe aktivierten Transkriptionsfaktoren PXR und CAR steigern die Menge der Enzyme und Transporter des Fremdstoffmetabolismus. Hierzu zählen vor allem die Cytochrom P450-Enzyme (Cyp-Enzyme) mit breitem Substratspektrum oder der Transporter MDR1, welcher eine Vielzahl von Substraten über Membranen transportiert. Durch die Biotransformation werden die induzierenden, lipophilen Substanzen so modifiziert, dass sie leichter über den Urin oder die Galle ausgeschieden werden können. \r\nDie Dauer der Induktion sollte auf die Zeit der Fremdstoffexposition beschränkt sein, um Störungen des endogenen Stoffwechsels zu vermindern. In dieser Arbeit werden jedoch Hinweise auf dauerhafte und sogar generationsübergreifende Effekte von Medikamenten in Mäusen geliefert. Nachkommen von Müttern, welche bereits vor ihrer Verpaarung einmalig mit TCPOBOP, einem Liganden des murinen CAR, injiziert wurden, hatten eine ungefähr 100-fach gesteigerte Genexpression von Cyp2b10. Auch gab es Expressionsänderungen von Genen, deren Produkte eine Rolle im Lipidstoffwechsel sowie bei Immunkrankheiten spielen. Eine Hochdurchsatz-RNA-Sequenzierung der injizierten Elterngeneration ergab außerdem dauerhafte Expressionsveränderungen anderer Gene des Medikamentenstoffwechsels sowie von Genen mit Verbindung zum Energiemetabolismus. \r\nBerücksichtigt man die enge evolutionäre Verwandtschaft der nukleären Rezeptoren CAR und PXR, sind Langzeitveränderungen auch für PXR möglich und wurden im Verlauf dieser Arbeit ebenfalls untersucht. Eine Hochdurchsatz-Sequenzierung ergab für Mäuse, welche mit dem PXR-Aktivator PCN induziert wurden, dass selbst noch drei Monate nach der Exposition Gene verändert exprimiert waren, welche im Zusammenhang mit Lebernekrosen stehen. Bei Nachkommen von PCN-injizierten Müttern wurden Gene unterschiedlich exprimiert, welche eine Rolle bei der Energiehomöostase sowie im Glukosestoffwechsel spielen. Im Erwachsenenalter sind bei diesen Nachkommen darüber hinaus noch Gene unterschiedlich exprimiert, deren Produkte eine Funktion in der Immunantwort haben. \r\nDa Erwachsene aufgrund ihrer Lebensdauer sowie der absoluten Krankheitshäufigkeit wesentlich öfter Kontakt mit Fremdstoffen haben, war medizinisch von besonderem Interesse, ob anhaltende Genexpressionsänderungen auch bei Erwachsenen zu beobachten sind. So konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass auch einmalig exponierte Adulttiere Gene dauerhaft verändert exprimieren und die Veränderungen im Medikamentenstoffwechsel an die nächste Generation übertrugen. \r\n\r\nBisher sind klinische Studien zur Risikobewertung von Medikamenten (Pharmakovigilanz) nicht generationsübergreifend angelegt. Diese Arbeit gibt Anstöße dafür, dass dies in Zukunft für viel mehr Medikamente notwendig werden könnte. Neben Veränderungen im Medikamentenstoffwechsel ergeben sich Nebenwirkungen von PXR- und CAR-Liganden vor allem aus ihrer Beteiligung an endogenen Stoffwechselwegen. Nach Aktivierung von CAR, welcher viele metabolische Stoffwechselwege steuert, treten beispielsweise Störungen des Energiestoffwechsels auf. Ein tieferes Verständnis der Rezeptoraktivität von CAR samt einer gezielten Modulierung seiner Aktivität würde wichtige Beiträge zum Verständnis der Regulation des Fremdstoffmetabolismus sowie der Entstehung von Nebenwirkungen durch eine Behandlung mit CAR-Liganden leisten. Dauerhafte Veränderungen endogener Stoffwechselwege könnten dann möglicherweise über eine pharmakologische Modulierung der CAR-Aktivität reduziert werden. \r\nZu diesem Zweck wurden im Verlauf dieser Arbeit die CAR-Rezeptoren der Amphibien (Xenopus tropicalis, Xenopus laevis) und Reptilien (Anolis carolinensis) erstmals kloniert, als Proteine exprimiert und charakterisiert. Vergleiche zwischen Tierarten ermöglichen ein besseres Verständnis von humanen Proteinen. Funktionelle Analysen ergaben Ähnlichkeiten des Xenopus laevis-CAR mit dem PXR der Säugetiere: eine niedrige basale Aktivität sowie eine starke Induzierbarkeit durch Liganden. In weiteren funktionellen Analysen wurden die Determinanten der basalen Aktivität des Xenopus laevis-CAR untersucht. Die basale Aktivität war nicht abhängig von der subzellulären Lokalisation, sondern ergab sich aus der Proteinstruktur, welche nur beim CAR der Landvertebraten in einer aktiven Konformation fixiert ist. Ähnlich dem PXR der Säugetiere besitzt CAR der Amphibien eine Aktivierungsdomäne, welche erst durch Ligandenbindung in eine aktive Konformation gebracht wird. Mutationen einzelner Aminosäuren zum jeweils humanen Homolog erhöhten die basale Aktivität des Xenopus laevis-CAR auf die des humanen Rezeptors. Diese Mutanten mit erhöhter basalen Aktivität zeigten eine verstärkte Interaktion mit dem Kofaktor PGC-1a, einem Regulator des Energiestoffwechsels bei Säugetieren. Die hepatischen Zielgene des CAR der Amphibien überlappen zum Teil mit den humanen Zielgenen und spielen ebenfalls eine Rolle im Energiestoffwechsel.

Intraflagellar transport in the developing and mature vertebrate retina

Intraflagellar transport (IFT) is required for the assembly and maintenance of cilia. In this study we analyzed the subcellular localization of IFT proteins in retinal cells by correlative high-resolution immunofluorescence and immunoelectron microscopy. The rod photoreceptor cell was used as a model system to analyze protein distribution in cilia. To date the expression of IFT proteins has been described in the ciliary region without deciphering the precise spatial and temporal subcellular localization of IFT proteins, which was the focus of my work. rnThe establishment of the pre-embedding immunoelectron method was an important first step for the present doctoral thesis. Results of this work reveal the differential localization of IFT20, IFT52, IFT57, IFT88, IFT140 in sub-ciliary compartments and also their presence in non-ciliary compartments of retinal photoreceptor cells. Furthermore, the localization of IFT20, IFT52 and IFT57 in dendritic processes of non-ciliated neurons indicates that IFT protein complexes also operate in non-ciliated cells and may participate in intracellular vesicle trafficking in eukaryotic cells in general.rnIn addition, we have investigated the involvement of IFT proteins in the ciliogenesis of vertebrate photoreceptor cilia. Electron microscopy analyses revealed six morphologically distinct stages. The first stages are characterized by electron dense centriolar satellites and a ciliary vesicle, while the formation of a ciliary shaft and of the light sensitive outer segment disks are features of the later stages. IFT proteins were expressed during all stages of photoreceptor cell development and found to be associated with the ciliary apparatus. In addition to the centriole and basal body IFT proteins are present in the photoreceptor cytoplasm, associated with centriolar satellites, post-Golgi vesicles and with the ciliary vesicle. Therewith the data provide an evidence for the involvement of IFT proteins during ciliogenesis, including the formation of the ciliary vesicle and the elongation of the primary cilium of photoreceptor cells. Moreover, the cytoplasmic localization of IFT proteins in the absence of a ciliary shaft in early stages of ciliogenesis indicates roles of IFT proteins beyond their well-established function for IFT in mature cilia and flagella. rn

Identification of ABCA1 and ABCG1 in milk fat globules and mammary cells--implications for milk cholesterol secretion

The ATP-binding cassette (ABC) transporters ABCA1 and ABCG1 play an important role in cellular cholesterol homeostasis, but their function in mammary gland (MG) tissue remains elusive. A bovine MG model that allows repeated MG sampling in identical animals at different functional stages was used to test whether 1) ABCA1 and ABCG1 protein expression and subcellular localization in mammary epithelial cells (MEC) change during the pregnancy-lactation cycle, and 2) these 2 proteins were present in milk fat globules (MFG). Expression and localization in MEC were investigated in bovine MG tissues at the end of lactation, during the dry period (DP), and early lactation using immunohistochemical and immunofluorescence approaches. The presence of ABCA1 and ABCG1 in MFG isolated from fresh milk was determined by immunofluorescence. The ABCA1 protein expression in MEC, expressed as arbitrary units, was higher during the end of lactation (12.2±0.24) and the DP (12.5±0.22) as compared with during early lactation (10.2±0.65). In contrast, no significant change in ABCG1 expression existed between the stages. Throughout the cycle, ABCA1 and ABCG1 were detected in the apical (41.9±24.8 and 49.0±4.96% of cows, respectively), basal (56.2±28.1 and 54.6±7.78% of cows, respectively), or entire cytoplasm (56.8±13.4 and 61.6±14.4% of cows, respectively) of MEC, or showed combined localization. Unlike ABCG1, ABCA1 was absent at the apical aspect of MEC during early lactation. Immunolabeling experiments revealed the presence of ABCA1 and ABCG1 in MFG membranes. Findings suggest a differential, functional stage-dependent role of ABCA1 and ABCG1 in cholesterol homeostasis of the MG epithelium. The presence of ABCA1 and ABCG1 in MFG membranes suggests that these proteins are involved in cholesterol exchange between MEC and alveolar milk.

Mining for Class-Specific Motifs in Protein Sequence Classification

Background: In protein sequence classification, identification of the sequence motifs or n-grams that can precisely discriminate between classes is a more interesting scientific question than the classification itself. A number of classification methods aim at accurate classification but fail to explain which sequence features indeed contribute to the accuracy. We hypothesize that sequences in lower denominations (n-grams) can be used to explore the sequence landscape and to identify class-specific motifs that discriminate between classes during classification. Discriminative n-grams are short peptide sequences that are highly frequent in one class but are either minimally present or absent in other classes. In this study, we present a new substitution-based scoring function for identifying discriminative n-grams that are highly specific to a class. Results: We present a scoring function based on discriminative n-grams that can effectively discriminate between classes. The scoring function, initially, harvests the entire set of 4- to 8-grams from the protein sequences of different classes in the dataset. Similar n-grams of the same size are combined to form new n-grams, where the similarity is defined by positive amino acid substitution scores in the BLOSUM62 matrix. Substitution has resulted in a large increase in the number of discriminatory n-grams harvested. Due to the unbalanced nature of the dataset, the frequencies of the n-grams are normalized using a dampening factor, which gives more weightage to the n-grams that appear in fewer classes and vice-versa. After the n-grams are normalized, the scoring function identifies discriminative 4- to 8-grams for each class that are frequent enough to be above a selection threshold. By mapping these discriminative n-grams back to the protein sequences, we obtained contiguous n-grams that represent short class-specific motifs in protein sequences. Our method fared well compared to an existing motif finding method known as Wordspy. We have validated our enriched set of class-specific motifs against the functionally important motifs obtained from the NLSdb, Prosite and ELM databases. We demonstrate that this method is very generic; thus can be widely applied to detect class-specific motifs in many protein sequence classification tasks. Conclusion: The proposed scoring function and methodology is able to identify class-specific motifs using discriminative n-grams derived from the protein sequences. The implementation of amino acid substitution scores for similarity detection, and the dampening factor to normalize the unbalanced datasets have significant effect on the performance of the scoring function. Our multipronged validation tests demonstrate that this method can detect class-specific motifs from a wide variety of protein sequence classes with a potential application to detecting proteome-specific motifs of different organisms.

Phosphorylation of sst2 receptors in neuroendocrine tumors after octreotide treatment of patients

Somatostatin analogues, which are used to treat neuroendocrine tumors, target the high levels of somatostatin receptor subtype 2 (SSTR1; alias sst2) expressed in these cancers. However, some tumors are resistant to somatostatin analogues, and it is unknown whether the defect lies in sst2 activation or downstream signaling events. Because sst2 phosphorylation occurs rapidly after receptor activation, we examined whether sst2 is phosphorylated in neuroendocrine tumors. The sst2 receptor phosphorylation was evaluated by IHC and Western blot analysis with the new Ra-1124 antibody specific for the sst2 receptor phosphorylated at Ser341/343 in receptor-positive neuroendocrine tumors obtained from 10 octreotide-treated and 7 octreotide-naïve patients. The specificity, time course, and subcellular localization of sst2 receptor phosphorylation were examined in human embryo kinase-sst2 cell cultures by immunofluorescence and confocal microscopy. All seven octreotide-naïve tumors displayed exclusively nonphosphorylated cell surface sst2 expression. In contrast, 9 of the 10 octreotide-treated tumors contained phosphorylated sst2 that was predominantly internalized. Western blot analysis confirmed the IHC data. Octreotide treatment of human embryo kinase-sst2 cells in culture demonstrated that phosphorylated sst2 was localized at the plasma membrane after 10 seconds of stimulation and was subsequently internalized into endocytic vesicles. These data show, for the first time to our knowledge, that phosphorylated sst2 is present in most gastrointestinal neuroendocrine tumors from patients treated with octreotide but that a striking variability exists in the subcellular distribution of phosphorylated receptors among such tumors.

The Trypanosoma brucei cAMP phosphodiesterases TbrPDEB1 and TbrPDEB2: flagellar enzymes that are essential for parasite virulence

Cyclic nucleotide specific phosphodiesterases (PDEs) are pivotal regulators of cellular signaling. They are also important drug targets. Besides catalytic activity and substrate specificity, their subcellular localization and interaction with other cell components are also functionally important. In contrast to the mammalian PDEs, the significance of PDEs in protozoal pathogens remains mostly unknown. The genome of Trypanosoma brucei, the causative agent of human sleeping sickness, codes for five different PDEs. Two of these, TbrPDEB1 and TbrPDEB2, are closely similar, cAMP-specific PDEs containing two GAF-domains in their N-terminal regions. Despite their similarity, these two PDEs exhibit different subcellular localizations. TbrPDEB1 is located in the flagellum, whereas TbrPDEB2 is distributed between flagellum and cytoplasm. RNAi against the two mRNAs revealed that the two enzymes can complement each other but that a simultaneous ablation of both leads to cell death in bloodstream form trypanosomes. RNAi against TbrPDEB1 and TbrPDEB2 also functions in vivo where it completely prevents infection and eliminates ongoing infections. Our data demonstrate that TbrPDEB1 and TbrPDEB2 are essential for virulence, making them valuable potential targets for new PDE-inhibitor based trypanocidal drugs. Furthermore, they are compatible with the notion that the flagellum of T. brucei is an important site of cAMP signaling.--Oberholzer, M., Marti, G., Baresic, M., Kunz, S., Hemphill, A., Seebeck, T. The Trypanosoma brucei cAMP phosphodiesterases TbrPDEB1 and TbrPDEB2: flagellar enzymes that are essential for parasite virulence.

The use of light- and electron microscopy for studies on the cell- and molecular biology of parasites and parasitic diseases

Lightmicroscopical (LM) and electron microscopi cal (EM) techniques, have had a major influence on the development and direction of cell biology, and particularly also on the investigation of complex host-parasite relationships. Earlier, microscopy has been rather descriptive, but new technical and scientific advances have changed the situation. Microscopy has now become analytical, quantitative and three-dimensional, with greater emphasis on analysis of live cells with fluorescent markers. The new or improved techniques that have become available include immunocytochemistry using immunogold labeling techniques or fluorescent probes, cryopreservation and cryosectioning, in situ hybridization, fluorescent reporters for subcellular localization, micro-analytical methods for elemental distribution, confocal laser scanning microscopy, scanning tunneling microscopy and live-imaging. Taken together, these tools are providing both researchers and students with a novel and multidimensional view of the intricate biological processes during parasite development in the host.