Comparative Genome Analysis of Trichophyton rubrum and Related Dermatophytes Reveals Candidate Genes Involved in Infection

The major cause of athlete's foot is Trichophyton rubrum, a dermatophyte or fungal pathogen of human skin. To facilitate molecular analyses of the dermatophytes, we sequenced T. rubrum and four related species, Trichophyton tonsurans, Trichophyton equinum, Microsporum canis, and Microsporum gypseum. These species differ in host range, mating, and disease progression. The dermatophyte genomes are highly colinear yet contain gene family expansions not found in other human-associated fungi. Dermatophyte genomes are enriched for gene families containing the LysM domain, which binds chitin and potentially related carbohydrates. These LysM domains differ in sequence from those in other species in regions of the peptide that could affect substrate binding. The dermatophytes also encode novel sets of fungus-specific kinases with unknown specificity, including nonfunctional pseudokinases, which may inhibit phosphorylation by competing for kinase sites within substrates, acting as allosteric effectors, or acting as scaffolds for signaling. The dermatophytes are also enriched for a large number of enzymes that synthesize secondary metabolites, including dermatophyte-specific genes that could synthesize novel compounds. Finally, dermatophytes are enriched in several classes of proteases that are necessary for fungal growth and nutrient acquisition on keratinized tissues. Despite differences in mating ability, genes involved in mating and meiosis are conserved across species, suggesting the possibility of cryptic mating in species where it has not been previously detected. These genome analyses identify gene families that are important to our understanding of how dermatophytes cause chronic infections, how they interact with epithelial cells, and how they respond to the host immune response. IMPORTANCE Athlete's foot, jock itch, ringworm, and nail infections are common fungal infections, all caused by fungi known as dermatophytes (fungi that infect skin). This report presents the genome sequences of Trichophyton rubrum, the most frequent cause of athlete's foot, as well as four other common dermatophytes. Dermatophyte genomes are enriched for four gene classes that may contribute to the ability of these fungi to cause disease. These include (i) proteases secreted to degrade skin; (ii) kinases, including pseudokinases, that are involved in signaling necessary for adapting to skin; (iii) secondary metabolites, compounds that act as toxins or signals in the interactions between fungus and host; and (iv) a class of proteins (LysM) that appear to bind and mask cell wall components and carbohydrates, thus avoiding the host's immune response to the fungi. These genome sequences provide a strong foundation for future work in understanding how dermatophytes cause disease.

Clenbuterol suppresses proteasomal and lysosomal proteolysis and atrophy-related genes in denervated rat soleus muscles independently of Akt

Goncalves DA, Silveira WA, Lira EC, Gra a FA, Paula-Gomes S, Zanon NM, Kettelhut IC, Navegantes LC. Clenbuterol suppresses proteasomal and lysosomal proteolysis and atrophy-related genes in denervated rat soleus muscles independently of Akt. Am J Physiol Endocrinol Metab 302: E123-E133, 2012. First published September 27, 2011; doi:10.1152/ajpendo.00188.2011.-Although it is well known that administration of the selective beta(2)-adrenergic agonist clenbuterol (CB) protects muscle following denervation (DEN), the underlying molecular mechanism remains unclear. We report that in vivo treatment with CB (3 mg/kg sc) for 3 days induces antiproteolytic effects in normal and denervated rat soleus muscle via distinct mechanisms. In normal soleus muscle, CB treatment stimulates protein synthesis, inhibits Ca(2+)-dependent proteolysis, and increases the levels of calpastatin protein. On the other hand, the administration of CB to DEN rats ameliorates the loss of muscle mass, enhances the rate of protein synthesis, attenuates hyperactivation of proteasomal and lysosomal proteolysis, and suppresses the transcription of the lysosomal protease cathepsin L and of atrogin-1/MAFbx and MuRF1, two ubiquitin (Ub) ligases involved in muscle atrophy. These effects were not associated with alterations in either IGF-I content or Akt phosphorylation levels. In isolated muscles, CB (10(-6) M) treatment significantly attenuated DEN-induced overall proteolysis and upregulation in the mRNA levels of the Ub ligases. Similar responses were observed in denervated muscles exposed to 6-BNZ-cAMP (500 mu M), a PKA activator. The in vitro addition of triciribine (10 mu M), a selective Akt inhibitor, did not block the inhibitory effects of CB on proteolysis and Ub ligase mRNA levels. These data indicate that short-term treatment with CB mitigates DEN-induced atrophy of the soleus muscle through the stimulation of protein synthesis, downregulation of cathepsin L and Ub ligases, and consequent inhibition of lysosomal and proteasomal activities and that these effects are independent of Akt and possibly mediated by the cAMP/PKA signaling pathway.

Molecular characterization of the Aspergillus nidulans fbxA encoding an F-box protein involved in xylanase induction

The filamentous fungus Aspergillus nidulans has been used as a fungal model system to study the regulation of xylanase production. These genes are activated at transcriptional level by the master regulator the transcriptional factor XInR and repressed by carbon catabolite repression (CCR) mediated by the wide-domain repressor CreA. Here, we screened a collection of 42 A. nidulans F-box deletion mutants grown either in xylose or xylan as the single carbon source in the presence of the glucose analog 2-deoxy-D-glucose, aiming to identify mutants that have deregulated xylanase induction. We were able to recognize a null mutant in a gene (fbxA) that has decreased xylanase activity and reduced xInA and xInD mRNA accumulation. The Delta fbxA mutant interacts genetically with creAd-30, creB15, and creC27 mutants. FbxA is a novel protein containing a functional F-box domain that binds to Skp1 from the SCF-type ligase. Blastp analysis suggested that FbxA is a protein exclusive from fungi, without any apparent homologs in higher eukaryotes. Our work emphasizes the importance of the ubiquitination in the A. nidulans xylanase induction and CCR. The identification of FbxA provides another layer of complexity to xylanase induction and CCR phenomena in filamentous fungi. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

Identification of novel components of NAD-utilizing metabolic pathways and prediction of their biochemical functions

Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) is a ubiquitous cofactor participating in numerous redox reactions. It is also a substrate for regulatory modifications of proteins and nucleic acids via the addition of ADP-ribose moieties or removal of acyl groups by transfer to ADP-ribose. In this study, we use in-depth sequence, structure and genomic context analysis to uncover new enzymes and substrate-binding proteins in NAD-utilizing metabolic and macromolecular modification systems. We predict that Escherichia coli YbiA and related families of domains from diverse bacteria, eukaryotes, large DNA viruses and single strand RNA viruses are previously unrecognized components of NAD-utilizing pathways that probably operate on ADP-ribose derivatives. Using contextual analysis we show that some of these proteins potentially act in RNA repair, where NAD is used to remove 2'-3' cyclic phosphodiester linkages. Likewise, we predict that another family of YbiA-related enzymes is likely to comprise a novel NAD-dependent ADP-ribosylation system for proteins, in conjunction with a previously unrecognized ADP-ribosyltransferase. A similar ADP-ribosyltransferase is also coupled with MACRO or ADP-ribosylglycohydrolase domain proteins in other related systems, suggesting that all these novel systems are likely to comprise pairs of ADP-ribosylation and ribosylglycohydrolase enzymes analogous to the DraG-DraT system, and a novel group of bacterial polymorphic toxins. We present evidence that some of these coupled ADP-ribosyltransferases/ribosylglycohydrolases are likely to regulate certain restriction modification enzymes in bacteria. The ADP-ribosyltransferases found in these, the bacterial polymorphic toxin and host-directed toxin systems of bacteria such as Waddlia also throw light on the evolution of this fold and the origin of eukaryotic polyADP-ribosyltransferases and NEURL4-like ARTs, which might be involved in centrosomal assembly. We also infer a novel biosynthetic pathway that might be involved in the synthesis of a nicotinate-derived compound in conjunction with an asparagine synthetase and AMPylating peptide ligase. We use the data derived from this analysis to understand the origin and early evolutionary trajectories of key NAD-utilizing enzymes and present targets for future biochemical investigations.

Germline-Specific MATH-BTB Substrate Adaptor MAB1 Regulates Spindle Length and Nuclei Identity in Maize

Germline and early embryo development constitute ideal model systems to study the establishment of polarity, cell identity, and asymmetric cell divisions (ACDs) in plants. We describe here the function of the MATH-BTB domain protein MAB1 that is exclusively expressed in the germ lineages and the zygote of maize (Zea mays). mab1 (RNA interference [RNAi]) mutant plants display chromosome segregation defects and short spindles during meiosis that cause insufficient separation and migration of nuclei. After the meiosis-to-mitosis transition, two attached nuclei of similar identity are formed in mab1 (RNAi) mutants leading to an arrest of further germline development. Transient expression studies of MAB1 in tobacco (Nicotiana tabacum) Bright Yellow-2 cells revealed a cell cycle-dependent nuclear localization pattern but no direct colocalization with the spindle apparatus. MAB1 is able to form homodimers and interacts with the E3 ubiquitin ligase component Cullin 3a (CUL3a) in the cytoplasm, likely as a substrate-specific adapter protein. The microtubule-severing subunit p60 of katanin was identified as a candidate substrate for MAB1, suggesting that MAB1 resembles the animal key ACD regulator Maternal Effect Lethal 26 (MEL-26). In summary, our findings provide further evidence for the importance of posttranslational regulation for asymmetric divisions and germline progression in plants and identified an unstable key protein that seems to be involved in regulating the stability of a spindle apparatus regulator(s).

1031-1034delTAAC (Leu125Stop): a novel familial UBE3A mutation causing Angelman syndrome in two siblings showing distinct phenotypes

Background More than 50 mutations in the UBE3A gene (E6-AP ubiquitin protein ligase gene) have been found in Angelman syndrome patients with no deletion, no uniparental disomy, and no imprinting defect. Case Presentation We here describe a novel UBE3A frameshift mutation in two siblings who have inherited it from their asymptomatic mother. Despite carrying the same UBE3A mutation, the proband shows a more severe phenotype whereas his sister shows a milder phenotype presenting the typical AS features. Conclusions We hypothesized that the mutation Leu125Stop causes both severe and milder phenotypes. Potential mechanisms include: i) maybe the proband has an additional problem (genetic or environmental) besides the UBE3A mutation; ii) since the two siblings have different fathers, the UBE3A mutation is interacting with a different genetic variant in the proband that, by itself, does not cause problems but in combination with the UBE3A mutation causes the severe phenotype; iii) this UBE3A mutation alone can cause either typical AS or the severe clinical picture seen in the proband.

UVB-induced cell death signaling is associated with G1-S progression and transcription inhibition in primary human fibroblasts

DNA damage induced by ultraviolet (UV) radiation can be removed by nucleotide excision repair through two sub-pathways, one general (GGR) and the other specific for transcribed DNA (TCR), and the processing of unrepaired lesions trigger signals that may lead to cell death. These signals involve the tumor suppressor p53 protein, a central regulator of cell responses to DNA damage, and the E3 ubiquitin ligase Mdm2, that forms a feedback regulatory loop with p53. The involvement of cell cycle and transcription on the signaling to apoptosis was investigated in UVB-irradiated synchronized, DNA repair proficient, CS-B (TCR-deficient) and XP-C (GGR-deficient) primary human fibroblasts. Cells were irradiated in the G1 phase of the cell cycle, with two doses with equivalent levels of apoptosis (low and high), defined for each cell line. In the three cell lines, the low doses of UVB caused only a transient delay in progression to the S phase, whereas the high doses induced permanent cell cycle arrest. However, while accumulation of Mdm2 correlated well with the recovery from transcription inhibition at the low doses for normal and CS-B fibroblasts, for XP-C cells this protein was shown to be accumulated even at UVB doses that induced high levels of apoptosis. Thus, UVB-induced accumulation of Mdm2 is critical for counteracting p53 activation and apoptosis avoidance, but its effect is limited due to transcription inhibition. However, in the case of XP-C cells, an excess of unrepaired DNA damage would be sufficient to block S phase progression, which would signal to apoptosis, independent of Mdm2 accumulation. The data clearly discriminate DNA damage signals that lead to cell death, depending on the presence of UVB-induced DNA damage in replicating or transcribing regions.

Studio molecolare dei meccanismi dell'autoincompatibilità gametofitica in pero europeo (Pyrus communis)

Self-incompatibility (SI) systems have evolved in many flowering plants to prevent self-fertilization and thus promote outbreeding. Pear and apple, as many of the species belonging to the Rosaceae, exhibit RNase-mediated gametophytic self-incompatibility, a widespread system carried also by the Solanaceae and Plantaginaceae. Pear orchards must for this reason contain at least two different cultivars that pollenize each other; to guarantee an efficient cross-pollination, they should have overlapping flowering periods and must be genetically compatible. This compatibility is determined by the S-locus, containing at least two genes encoding for a female (pistil) and a male (pollen) determinant. The female determinant in the Rosaceae, Solanaceae and Plantaginaceae system is a stylar glycoprotein with ribonuclease activity (S-RNase), that acts as a specific cytotoxin in incompatible pollen tubes degrading cellular RNAs. Since its identification, the S-RNase gene has been intensively studied and the sequences of a large number of alleles are available in online databases. On the contrary, the male determinant has been only recently identified as a pollen-expressed protein containing a F-box motif, called S-Locus F-box (abbreviated SLF or SFB). Since F-box proteins are best known for their participation to the SCF (Skp1 - Cullin - F-box) E3 ubiquitine ligase enzymatic complex, that is involved in protein degradation through the 26S proteasome pathway, the male determinant is supposed to act mediating the ubiquitination of the S-RNases, targeting them for the degradation in compatible pollen tubes. Attempts to clone SLF/SFB genes in the Pyrinae produced no results until very recently; in apple, the use of genomic libraries allowed the detection of two F-box genes linked to each S haplotype, called SFBB (S-locus F-Box Brothers). In Japanese pear, three SFBB genes linked to each haplotype were cloned from pollen cDNA. The SFBB genes exhibit S haplotype-specific sequence divergence and pollen-specific expression; their multiplicity is a feature whose interpretation is unclear: it has been hypothesized that all of them participate in the S-specific interaction with the RNase, but it is also possible that only one of them is involved in this function. Moreover, even if the S locus male and female determinants are the only responsible for the specificity of the pollen-pistil recognition, many other factors are supposed to play a role in GSI; these are not linked to the S locus and act in a S-haplotype independent manner. They can have a function in regulating the expression of S determinants (group 1 factors), modulating their activity (group 2) or acting downstream, in the accomplishment of the reaction of acceptance or rejection of the pollen tube (group 3). This study was aimed to the elucidation of the molecular mechanism of GSI in European pear (Pyrus communis) as well as in the other Pyrinae; it was divided in two parts, the first focusing on the characterization of male determinants, and the second on factors external to the S locus. The research of S locus F-box genes was primarily aimed to the identification of such genes in European pear, for which sequence data are still not available; moreover, it allowed also to investigate about the S locus structure in the Pyrinae. The analysis was carried out on a pool of varieties of the three species Pyrus communis (European pear), Pyrus pyrifolia (Japanese pear), and Malus × domestica (apple); varieties carrying S haplotypes whose RNases are highly similar were chosen, in order to check whether or not the same level of similarity is maintained also between the male determinants. A total of 82 sequences was obtained, 47 of which represent the first S-locus F-box genes sequenced from European pear. The sequence data strongly support the hypothesis that the S locus structure is conserved among the three species, and presumably among all the Pyrinae; at least five genes have homologs in the analysed S haplotypes, but the number of F-box genes surrounding the S-RNase could be even greater. The high level of sequence divergence and the similarity between alleles linked to highly conserved RNases, suggest a shared ancestral polymorphism also for the F-box genes. The F-box genes identified in European pear were mapped on a segregating population of 91 individuals from the cross 'Abbé Fétel' × 'Max Red Bartlett'. All the genes were placed on the linkage group 17, where the S locus has been placed both in pear and apple maps, and resulted strongly associated to the S-RNase gene. The linkage with the RNase was perfect for some of the F-box genes, while for others very rare single recombination events were identified. The second part of this study was focused on the research of other genes involved in the SI response in pear; it was aimed on one side to the identification of genes differentially expressed in compatible and incompatible crosses, and on the other to the cloning and characterization of the transglutaminase (TGase) gene, whose role may be crucial in pollen rejection. For the identification of differentially expressed genes, controlled pollinations were carried out in four combinations (self pollination, incompatible, half-compatible and fully compatible cross-pollination); expression profiles were compared through cDNA-AFLP. 28 fragments displaying an expression pattern related to compatibility or incompatibility were identified, cloned and sequenced; the sequence analysis allowed to assign a putative annotation to a part of them. The identified genes are involved in very different cellular processes or in defense mechanisms, suggesting a very complex change in gene expression following the pollen/pistil recognition. The pool of genes identified with this technique offers a good basis for further study toward a better understanding of how the SI response is carried out. Among the factors involved in SI response, moreover, an important role may be played by transglutaminase (TGase), an enzyme involved both in post-translational protein modification and in protein cross-linking. The TGase activity detected in pear styles was significantly higher when pollinated in incompatible combinations than in compatible ones, suggesting a role of this enzyme in the abnormal cytoskeletal reorganization observed during pollen rejection reaction. The aim of this part of the work was thus to identify and clone the pear TGase gene; the PCR amplification of fragments of this gene was achieved using primers realized on the alignment between the Arabidopsis TGase gene sequence and several apple EST fragments; the full-length coding sequence of the pear TGase gene was then cloned from cDNA, and provided a precious tool for further study of the in vitro and in vivo action of this enzyme.

Molecular characterization of the human gut microbiota: the effect of aging

Age-related physiological changes in the gastrointestinal tract, as well as modification in lifestyle, nutritional behaviour, and functionality of the host immune system, inevitably affect the gut microbiota. The study presented here is focused on the application and comparison of two different microarray approaches for the characterization of the human gut microbiota, the HITChip and the HTF-Microb.Array, with particular attention to the effects of the aging process on the composition of this ecosystem. By using the Human Intestinal Tract Chip (HITChip), recently developed at the Wageningen University, The Netherland, we explored the age-related changes of gut microbiota during the whole adult lifespan, from young adults, through elderly to centenarians. We observed that the microbial composition and diversity of the gut ecosystem of young adults and seventy-years old people is highly similar but differs significantly from that of the centenarians. After 100 years of symbiotic association with the human host, the microbiota is characterized by a rearrangement in the Firmicutes population and an enrichment of facultative anaerobes. The presence of such a compromised microbiota in the centenarians is associated with an increased inflammation status, also known as inflamm-aging, as determined by a range of peripheral blood inflammatory markers. In parallel, we overtook the development of our own phylogenetic microarray with a lower number of targets, aiming the description of the human gut microbiota structure at high taxonomic level. The resulting chip was called High Taxonomic level Fingerprinting Microbiota Array (HTF-Microb.Array), and was based on the Ligase Detection Reaction (LDR) technology, which allowed us to develop a fast and sensitive tool for the fingerprint of the human gut microbiota in terms of presence/absence of the principal groups. The validation on artificial DNA mixes, as well as the pilot study involving eight healthy young adults, demonstrated that the HTF-Microb.Array can be used to successfully characterize the human gut microbiota, allowing us to obtain results which are in approximate accordance with the most recent characterizations. Conversely, the evaluation of the relative abundance of the target groups on the bases of the relative fluorescence intensity probes response still has some hindrances, as demonstrated by comparing the HTF.Microb.Array and HITChip high taxonomic level fingerprints of the same centenarians.

Die Rolle Prolin-reicher Sequenzmotive des Core-Proteins in der Morphogenese des Hepatitis-B Virus

Diese Arbeit hatte zum Ziel, den Ausschleusungsmechanismus des Hepatitis-B Virus zu beleuchten. Es ist bisher unbekannt, wie das virale Nukleokapsid umhüllt und das reife Virion aus der Leberzelle freigesetzt wird. Bei einigen RNA-Viren, beispielsweise HIV-1, Ebola oder RSV, vermitteln so genannte Late-Domänen im viralen Kapsid- oder Matrix-Protein die Knospung der Viren an intrazellulären Membranen oder der Plasmamembran. Da das HBV-Core-Protein ähnliche Sequenzen trägt, wurde in der vorliegenden Arbeit überprüft, welche Rolle diese im viralen Replikationszyklus spielen. Meine Ergebnisse zeigen, dass die beiden Prolin-reichen Sequenzen PPAY (129-132) und PPNAP (134-138), die retroviralen Late-Domänen ähneln, für die HBV-Morphogenese essentiell sind. Mutationen einzelner Aminosäuren innerhalb dieser Motive führen zu Phänotypen mit verändertem Kapsid-, Nukleokapsid- und Virus-Bildungs-Vermögen. Insbesondere sind die Aminosäure Tyrosin 132 des Motivs PPAY und die Prolinreste 134 und 135 des Motivs PPNAP erforderlich, da diese schon für die Bildung der Kapside unentbehrlich sind. Charakteristisch für beide Motive sind auch die hier gezeigten Interaktionen mit speziellen Wirtszellfaktoren, deren physiologische Funktion es ist, zelluläre Proteine in den endosomalen Sortierungsprozess einzuschleusen. Im Vordergrund stehen hier die E3 Ub-Ligase Nedd4, welche Proteine mit Ub konjugiert und diese so signifikant für die Einschleusung in das endosomale System markiert, und Tsg101, das als zentrale Komponente des ESCRT-I-Komplexes für die Erkennung von ubiquitinierten Proteinen zuständig ist und diese dadurch in die ESCRT-Kaskade des multivesikulären Endosoms einführt. Für die genannten Interaktionen ist das Motiv PPAY und hier wieder speziell das Tyrosin 132 des HBV-Core-Proteins für die Wechselwirkung mit Nedd4 notwendig. Hingegen vermittelt die L-Domänen-ähnliche Sequenz PPNAP die Assoziation von Core mit Tsg101, wobei die beiden Prolinreste 134 und 135 und auch das Asparagin 136 für die Interaktion essentiell sind. Sowohl Nedd4 als auch Tsg101 wirken im Zusammenhang mit Ubiquitin, weshalb eine Ubiquitinierung von Core, trotz bislang negativer Nachweise, wahrscheinlich ist. Zugunsten dieser Annahme spricht auch mein Nachweis, dass der Lysinrest an Position 96 des Core-Proteins, als potentieller Ub-Akzeptor, gerade in späten Schritten eine essentielle Rolle spielt. Weiterhin klärungsbedürftig ist auch die Frage, ob Core direkt mit Tsg101 und Nedd4 interagiert, oder ob andere Faktoren dazwischen geschaltet sind. Auch könnte mit Hilfe von siRNA-vermittelten Depletionsversuchen die physiologische Relevanz der Tsg101/Core-und Nedd4/Core-Interaktion weiterführend untersucht werden. Zudem zeigen meine Arbeiten, dass Core mit intrazellulären Membranen assoziiert, weshalb es interessant wäre, zu untersuchen, ob es sich hierbei um Membranen des endosomalen Systems handelt, an denen die finalen Schritte der Virus-Morphogenese stattfinden könnten.

Virus-Wirt-Interaktionen bei Hepatitis-B-Virus-Infektionen: Die Rolle von Gamma2-Adaptin

Mit etwa 350 Millionen chronisch-infizierten Menschen gehört die Hepatitis-B neben der Tuberkulose und AIDS zu den häufigsten Infektionskrankheiten der Welt. Der einzig sichere Schutz vor dem bis zur Leberzirrhose persistierenden Virus bietet eine vorbeugende Impfung. Eine angemessene Therapie chronisch-erkrankter Patienten ist durch die Unkenntnis über viele Bereiche des HBV-Lebenszyklus nur eingeschränkt möglich. Gegenstand dieser Arbeit war vor allem etwas Licht in das Wechselspiel zwischen HBV und der Wirtszelle zu bringen und zelluläre Komponenten und Mechanismen zu identifizieren, die am Sortierungs- und Transportmechanismus viraler Substrukturen zur sogenannten Assembly-Plattform beteiligt sind, um dort die Freisetzung des Virus zu initiieren. Mit der vorliegenden Arbeit habe ich Methoden der Zellbiologie, Mikrobiologie, Molekularbiologie und Virologie vereint, um neue Einblicke in den HBV-Lebenszyklus zu gewinnen. Für die Ausschleusung von HBV wird seither der konstitutive Weg der Sekretion angenommen. In Anlehnung an den Mechanismus umhüllter RNA-Viren kann die Hypothese aufgestellt werden, dass das MVB (Multivesicular Body) im Prozess der HBV-Freisetzung beteiligt sein könnte. Die Freisetzung des Hepatitis-B-Virus aus einer infizierten Zelle ist ein streng organisierter Prozess, der sowohl das HBV-Coreprotein als auch die HBV-Hüllproteine zu benötigen scheint. (max. 5.000 Zeichen)Inhaltszusammenfassung in einer weiteren Sprache deutschenglischfranzösischrussischmehrsprachigsonst.Ausgangspunkt der Arbeit war eine spezifische Interaktion des großen HBV-Hüllproteins (L) mit einem neuen Mitglied der Adaptor-Protein-Komplex-Familie (AP-Komplex), dem g2?Adaptin (Hartmann-Stühler und Prange, 2001), das mutmaßlich an endosomalen Sortierungs- und Transportprozessen beteiligt ist. In Analogie zur Funktionsweise von Adaptin-Molekülen wurde vom g2-Adaptin eine Rolle in der Initiation und Steuerung der Sprossung und Freisetzung von HBV vermutet. Die im Rahmen dieser Arbeit erweiterte Charakterisierung der g2/L-Interaktion zeigte zum einen, dass die Ohrdomäne des Adaptins für die Interaktion essentiell ist und zum anderen, dass die Rekrutierung des Adaptins durch das L-Protein zu cis-Golgi-Strukturen innerhalb kleiner Transportvesikel entlang des Nukleus (perinukleär) erfolgt. Erste Ergebnisse dieser Arbeit deuteten bereits an, dass das virale Coreprotein mit demselben Adaptorprotein zu interagieren vermag. Für die g2/Core-Interaktion erwies sich in Folgearbeiten die Kopfregion des g2-Adaptins als die entscheidende Bindungsdomäne (Rost et al., 2006). Sowohl eine funktionelle Inaktivierung des g2-Adaptins durch RNA-Interferenz als auch eine g2-Adaptin- Überexpression störten die Virusmontage in späten Phasen der Morphogenese. Während ein g2-Adaptin-Überschuss die HBV-Produktion indirekt durch die Induktion dysfunktioneller endosomaler Kompartimente blockierte, verhinderte der siRNA-induzierte g2-Adaptin-Verlust die späte Ausschleusung des Virus aus der Zelle. Das Silencing von g2-Adaptin zeigte dabei weder einen Einfluss auf endosomale Strukturen noch auf die Freisetzung subviraler Partikel (Viren ohne Genom). Demzufolge scheinen sich die Mechanismen der Produktion von subviralen und viralen HBV-Partikeln bezüglich ihrer Anforderungen an Zellfunktionen und Transportwegen deutlich voneinander zu unterscheiden. Es konnten erste Hinweise darauf gefunden werden, dass die Virusmontage an endosomalen Kompartimenten (zum Beispiel dem MVB) erfolgen könnte, was durch bereits weitergeführte Untersuchungen bestätigt werden konnte (Lambert et al., J Virol, epub ahead of print). Darüber hinaus ist inzwischen bekannt, dass das Hepatitis-B-Virus für den Zusammenbau und die Freisetzung nicht nur das Adaptor-verwandte g2-Adaptin, sondern auch die endosomale Ubiquitin Ligase Nedd4, wahrscheinlich in Zusammenhang mit Ubiquitin selbst (Rost et al., 2006), benötigt. Eine Untersuchung dieser weiterführenden Aspekte war jedoch nicht mehr Inhalt dieser Arbeit. Insgesamt weisen die Daten darauf hin, dass die Sortierung und der Transport der Substrukturen des Hepatitis-B-Virus durch den MVB-Komplex zu erfolgen scheint. Dabei könnte das g2-Adaptin mit Hilfe einer Reihe von Kofaktoren (wie zum Beispiel Nedd4, Ubiquitin, etc.) eine entscheidende Rolle an der Sortierung und Anbindung des viralen L- und Coreproteins an die Assembly-Plattform spielen. Doch der genaue Mechanismus, welcher große Ähnlichkeit mit dem umhüllter RNA-Viren (wie zum Beispiel HIV-1) aufweist, bleibt noch ungeklärt. Ob weitere zelluläre Kofaktoren an der HBV-Sprossung und Freisetzung beteiligt sind, bleibt ebenfalls unbekannt und bedarf weiterer Untersuchungen.

Alkylantien induzierte Zytotoxizität, DNA-schadensinduzierte Reparaturkapazität und Apoptoseinduktion von Immunzellen

Monozyten und Monozyten-abgeleitete Dendritische Zellen (DCs) spielen eine bedeutende Rolle im Immunsystem. Da DCs bei der Tumorabwehr mitwirken, ist es wichtig, dass Monozyten als auch DCs sich gegenüber zytotoxischen Agenzien aus der Chemotherapie wehren können. Chemotherapeutika reagieren mit der DNA, jedoch die DNA-Reparaturkapazität von Monozyten und DCs wurde noch nicht untersucht. Dazu wurde die Sensitivität in Monozyten und DCs gegenüber verschiedene genotoxische Agenzien untersucht. Dabei wurde herausgefunden, dass Monozyten sensitiv auf methylierende Agenzien (MNNG, MMS und Temozolomid) reagieren und ein verstärktes Zellsterben und Apoptoseinduktion zeigen. Im Vergleich zu weiteren Zytostatika wie Fotemustin, Mafosfamid und Cisplatin reagierten Monozyten und DCs gleich sensitiv. Diese Ergebnisse weisen auf einen Defekt in der Reparatur von DNA-Methylierungsschäden in Monozyten hin. Da die Expression des Reparaturproteins O6-Methylguanin-DNA Methyltransferase (MGMT) in Monozyten höher war als in DCs und deren Inhibierung durch O6-Benzylguanin keinen Effekt auf die Sensitivität von Monozyten hatte, wurde der Reparaturweg der Basenexzisionsreparatur untersucht. Im Vergleich zu DCs waren die Monozyten unfähig die BER durchzuführen, welche durch Einzelzellgelelektrophorese gemessen wurde. Expressionsuntersuchungen ergaben, dass in Monozyten XRCC1 und Ligase IIIα fehlen im Vergleich zu DCs, Makrophagen, hämatopoetische Stammzellen und Lymphozyten, welche diese Proteine exprimieren. Diese Ergebnisse zeigen einen spezifischen DNA-Reparaturdefekt in einer bestimmten Blutzellpopulation. Durch den BER Defekt in Monozyten kann es durch methylierende Tumorwirkstoffe während einer Chemotherapie zur Depletion und zu einer abgeschwächten Immunantwort kommen.

Funktionsanalyse von Gamma2-Adaptin: ein zellulärer Adaptor der Hepatitis-B-Virus-Morphogenese

Im Replikationszyklus umhüllter Viren entstehen neue Viruspartikel durch die Knospung an Membranen der Wirtszelle. An diesem Prozess sind verschiedene zelluläre Faktoren und Mechanismen beteiligt, speziell die ESCRT-Proteinkomplexe, welche die Vesikelbildung an den MVBs steuern. Auch bei HBV ist davon auszugehen, dass Komponenten der Wirtszelle an der Umhüllung und Freisetzung der Virionen beteiligt sind, allerdings sind diese noch weitgehend unbekannt. Ziel dieser Arbeit war es daher, die zellulären Faktoren genauer zu charakterisieren und ihre Funktion bei der Virusumhüllung aufzuklären. Den Ausgangspunkt für die hier durchgeführten Untersuchungen bildeten vorangegangene Arbeiten, in denen die spezifische Interaktion des L-Hüllproteins von HBV mit g2-Adaptin nachgewiesen werden konnte. Diese ist für die Morphogenese von HBV essentiell, allerdings ist die zelluläre ebenso wie die virusspezifische Funktion von g2-Adaptin bislang unbekannt. Im Rahmen dieser Arbeit sollte daher untersucht werden, wo und wie g2-Adaptin in der Zelle funktionell ist, um daraus Rückschlüsse auf die Vorgänge bei der Morphogenese von HBV ziehen zu können. Die Grundlage für die Charakterisierung von g2-Adaptin bildete seine Ähnlichkeit zu zellulären Clathrin-Adaptorproteinen. So konnte hier gezeigt werden, dass auch g2-Adaptin ein Clathrin-Bindungsmotiv besitzt, welches eine Interaktion mit Clathrin ermöglicht. Außerdem konnte ein Ubiquitin-Interaktions-Motiv (UIM) identifiziert werden, das die Bindung an ubiquitinierte Proteine vermittelt. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass g2-Adaptin zu einer Gruppe monomerer Adaptorproteine zählen könnte, welche als Ubiquitin-Rezeptoren in der Zelle funktionell sind. Die folgenden Analysen zeigten eine weitere Gemeinsamkeit, da auch g2-Adaptin selbst durch Ubiquitin modifiziert wird, wobei die Ubiquitinierung von einem intakten UIM abhängt. Dieser als Coupled Monoubiquitination bezeichnete Prozess wird hierbei durch die Ubiquitin-Ligase Nedd4 vermittelt, die direkt mit g2-Adaptin interagiert. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass die C2-Domäne von Nedd4 ebenfalls mit Ubiquitin modifiziert ist, wodurch der Kontakt zum UIM von g2-Adaptin erfolgt. Die meisten der bislang bekannten Ubiquitin-bindenden Adaptorproteine, spielen bei der Vesikelentstehung an verschiedenen zellulären Membranen eine Rolle, wo sie an der Sortierung der vorwiegend ubiquitinierten Membranproteine beteiligt sind und zelluläre Komponenten rekrutieren, welche die Vesikelabschnürung vermitteln. Die Adaptorproteine sind dabei meist mit der jeweiligen Membran assoziiert, was auch für g2-Adaptin nachgewiesen werden konnte. Diese Membranbindung wird durch den N-terminalen Proteinbereich von g2-Adaptin vermittelt und erfolgt unabhängig von den Ubiquitin-bindenden Eigenschaften und von Nedd4. Allerdings scheint die Ubiquitin-Modifikation von g2-Adaptin ausschließlich in membrangebundener Form zu erfolgen. An welchen Membranen g2-Adaptin lokalisiert ist, wurde in Immunfluoreszenzstudien untersucht, wobei eine enge Assoziation von g2-Adaptin mit späten Endosomen bzw. MVBs zu beobachten war. Bei weiteren Analysen konnte auch ein funktioneller Einfluss auf die Vesikelentstehung an den MVBs nachgewiesen werden, da durch die Depletion von g2-Adaptin stark vergrößerte, defekte MVBs induziert wurden. Dies deutet darauf hin, dass g2-Adaptin als Ubiquitin-Rezeptor an diesen Prozessen beteiligt sein könnte. Ebenso wie andere Adaptorproteine könnte es hier an die Cargo-Proteine binden, diese durch den Kontakt zu Clathrin lokal konzentrieren und die Vesikelabschnürung durch die Rekrutierung der MVB-Maschinerie vermitteln. Möglicherweise stellt g2-Adaptin hierbei den bislang nicht identifizierten Adaptor dar, der die Verbindung zwischen Nedd4 und der MVB-Kaskade herstellt. Eine ähnliche Funktion für g2-Adaptin ist auch bei der Morphogenese von HBV denkbar. Aufgrund der durchgeführten Lokalisationsstudien ist anzunehmen, dass die Umhüllung der HBV-Partikel direkt an den MVBs erfolgt. Vermutlich bindet g2-Adaptin hier an das L-Hüllprotein, wobei es durch die Rekrutierung von Clathrin zu einer lokalen Anreicherung der Hüllproteine kommt. g2-Adaptin interagiert zudem in UIM-abhängiger Weise mit dem Nukleokapsid, wobei der Kontakt direkt erfolgen könnte oder durch die Ubiquitin-Ligase Nedd4 vermittelt wird, welche über eine Late-Domäne ebenfalls mit dem Nukleokapsid verbunden ist. Anscheinend gelangt das Nukleokapsid durch den Einfluss von g2-Adaptin und Nedd4 zum Ort der Virusmorphogenese, wo die eigentliche Umhüllung und die Abschnürung der Viruspartikel erfolgen. Vermutlich sind auch hier Komponenten der MVB-Maschinerie beteiligt, die womöglich durch g2-Adaptin rekrutiert werden.

The characterization of the Atxn2-CAG42-knock-in mouse as a model for Spinocerebellar Ataxia Type 2

Die Ursache der neurodegenerativen Erkrankung Spinozerebelläre Ataxie Typ 2 (SCA2) ist eine expandierte Polyglutamin-Domäne im humanen ATXN2-Gen von normalerweise 22 auf über 31 CAGs. Von der Degeneration sind vorwiegend die zerebellären Purkinje Neuronen betroffen, in denen zunehmend zytoplasmatische Aggregate sichtbar werden. Auch wenn die genaue Funktion von ATXN2 und die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen noch immer ungeklärt sind, werden ein toxischer Funktionsgewinn sowie der Verlust der normalen Proteinfunktion als mögliche Ursachen diskutiert.rnUm ein wirklichkeitsgetreues Tiermodell für die SCA2 zu haben, wurde eine knock-in Maus generiert, deren einzelnes CAG im Atxn2-Gen durch 42 CAGs ersetzt wurde. Dieses Mausmodell ist durch eine stabile Vererbung der Expansion charakterisiert. Weiterhin zeigt sie ein verringertes Körpergewicht sowie eine spät beginnende motorische Inkoordination, was dem Krankheitsbild von SCA2 entspricht. rnIm Weiteren konnte gezeigt werden, dass, obwohl die Atxn2 mRNA-Spiegel in Großhirn und Kleinhirn erhöht waren, die Menge an löslichem ATXN2 im Laufe der Zeit abnahm und dies mit einem Auftreten an unlöslichem ATXN2 korrelierte. Dieser im Kleinhirn progressive Prozess resultierte schließlich in zytoplasmatischen Aggregaten innerhalb der Purkinje Neuronen alter Mäuse. Der Verlust an löslichem ATXN2 könnte Effekte erklären, die auf einen partiellen Funktionsverlust von ATXN2 zurückzuführen sind, wobei die Aggregatbildung einen toxischen Funktionsgewinn wiederspiegeln könnte. Neben ATXN2 wurde auch sein Interaktor PABPC1 zunehmend unlöslich. Während dies im Großhirn eine Erhöhung der PABPC1 mRNA- und löslichen Proteinspiegel zur Folge hatte, konnte keine kompensatorische Veränderung seiner mRNA und zudem eine Verminderung an löslichem PABPC1 im Kleinhirn beobachtet werden. Auch PABPC1 wurde in Aggregate sequestriert. Diese Unterschiede zwischen Großhirn und Kleinhirn könnten zu der spezifischen Vulnerabilität des Kleinhirns beitragen.rnUm die Folgen auf mRNA-Prozessierung zu untersuchen, wurde ein Transkriptomprofil im mittleren sowie fortgeschrittenen Alter der Mäuse erstellt. Hierbei war eine erhöhte Expression von Fbxw8 im Kleinhirn alter Mäuse auffällig. Als Komponente eines Ubiquitin-E3-Ligase-Komplexes, hilft FBXW8 in der Degradierung von Zielproteinen und könnte somit die Toxizität des expandieren ATXN2 verringern. rnZur näheren Beschreibung der physiologischen Funktion von ATXN2, konnte in ATXN2-knock-out Mäusen gezeigt werden, dass das Fehlen von ATXN2 zu einer reduzierten globalen Proteinsyntheserate führte und somit eine Rolle als Translationsaktivator möglich erscheint. Kompensatorisch wurde eine erhöhte S6-Phosphorylierung gemessen.

DNA-Reparatur und Zelltod nach gentoxischem Stress in Monozyten, dendritischen Zellen und Makrophagen

Monozyten wie auch dendritische Zellen (DCs) und Makrophagen sind ein wichtiger Bestandteil des angeborenenen unspezifischen Immunsystems. Ein Kennzeichen dieser Zellen ist die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) zur Abtötung von Pathogenen. Im Fall von chronischen Entzündungen oder Infekten kann es zu einer explosionsartigen Freisetzung freier Radikale kommen ('Oxidative Burst'). Aus vorangegangenen Untersuchungen war bekannt, dass die Expression der beiden Basen Exziosions Reparatur (BER)-Proteine XRCC1 und Ligase III während der Ausreifung humaner Monozyten zu DCs induziert wird (Briegert and Kaina, 2007). Dies lies vermuten, dass Monozyten aufgrund einer defekten BER eine hohe Sensitivität gegenüber ROS aufweisen. Um diese Hypothese zu überprüfen, wurde die Wirkung von ROS auf humane Monozyten und daraus abgeleiteten DCs und Makrophagen untersucht. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass Monozyten eine hohe Sensitivität gegenüber oxidativem Stress aufweisen, was auf eine höhere Einzelstrangbruch-Rate zurückzuführen war. Ursache hierfür ist das Fehlen der BER-Proteine XRCC1, Ligase III und PARP-1. Die fehlende Expression dieser Proteine resultierte letztendlich in Monozyten in einem Defekt der BER und DNA-Einzelstrangbruchreparatur. rnDie Proteine XRCC1, Ligase III und PARP-1 sind auch Bestandteil des Apparats des B-NHEJ ('backup-non homologous end joining'), was auf eine Beeinträchtigung der Monozyten hinsichtlich der Prozessierung von Doppelstrangbrüchen (DSBs) schließen lässt. Zur Untersuchung dieser Vermutung, wurde die Wirkung von Ionisierender Strahlung ('ionizing radiation'; IR) auf Monozyten, DCs und Makrophagen bestimmt. Monozyten zeigten eine signifikant höhere Sensitivität gegenüber IR als DCs und Makrophagen, was auf eine erhöhte DSB-Rate in den Monozyten nach IR zurückzuführen war. Expressionsanalysen und ein DNA-PK-Aktivitäts-Assay zeigten zusätzlich, dass Monozyten keine DNA-PKcs, ein bedeutender Faktor des C-NHEJ, exprimieren. Somit haben Monozyten sowohl einen Defekt im B-NHEJ als auch im C-NHEJ und sind demnach nicht in der Lage, DSBs zu reparieren.rnAuch gegenüber dem Alkylanz und Chemotherapeutikum Temozolomid bewirken die Reparaturdefekte eine hohe Sensitivität der Monozyten. Zur Therapie von Hirntumoren werden neben der Operation, die Bestrahlung und Chemotherapie mit Temozolomid angewendet. Die hohe Sensitivität von Monozyten gegenüber IR und Temozolomid könnte eine Erklärung für die starke Immunsuppression bei einer derartigen Therapie sein.rn