Cancer and aging: a multidisciplinary medicinal chemistry approach on relevant biological targets such as proteasome, sirtuins and interleukin 6

It is well known that ageing and cancer have common origins due to internal and environmental stress and share some common hallmarks such as genomic instability, epigenetic alteration, aberrant telomeres, inflammation and immune injury. Moreover, ageing is involved in a number of events responsible for carcinogenesis and cancer development at the molecular, cellular, and tissue levels. Ageing could represent a “blockbuster” market because the target patient group includes potentially every person; at the same time, oncology has become the largest therapeutic area in the pharmaceutical industry in terms of the number of projects, clinical trials and research and development (R&D) spending, but cancer remains one of the leading causes of mortality worldwide. The overall aim of the work presented in this thesis was the rational design of new compounds able to modulate activity of relevant targets involved in cancer and aging-related pathologies, namely proteasome and immunoproteasome, sirtuins and interleukin 6. These three targets play different roles in human cells, but the modulation of its activity using small molecules could have beneficial effects on one or more aging-related diseases and cancer. We identified new moderately active and selective non-peptidic compounds able to inhibit the activity of both standard and immunoproteasome, as well as novel and selective scaffolds that would bind and inhibit SIRT6 selectively and can be used to sensitize tumor cells to commonly used anticancer agents such gemcitabine and olaparib. Moreover, our virtual screening approach led us also to the discovery of new putative modulators of SIRT3 with interesting in-vitro and cellular activity. Although the selectivity and potency of the identified chemical scaffolds are susceptible to be further improved, these compounds can be considered as highly promising leads for the development of future therapeutics.

Identifizierung chemischer Transportinhibitoren zur Modulation (patho)biologischer Genprodukte

Die intrazelluläre Lokalisation von Proteinen und Makromolekülen unterliegt in Eukaryoten einer strengen Regulation. Insbesondere erlaubt die Kompartimentierung eukaryotischer Zellen in Zellkern und Zytoplasma den simultanen Ablauf räumlich getrennter biochemischer Reaktionen, und damit die unabhängige Regulation zellulärer Programme. Da trotz intensiver Forschungsbemühungen bis dato die molekularen Details sowie die (patho)biologische Bedeutung von Kern-Zytoplasma-Transportprozessen noch immer nicht vollkommen verstanden sind, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Fokus auf die Identifizierung von chemischen Transportinhibitoren gelegt. Das zu diesem Zweck entwickelte Translokations-Biosensor-System basiert auf der Kombination von autofluoreszierenden Proteinen, sowie spezifisch ausgewählten Kernexport- und Kernimportsignalen. Nach Etablierung geeigneter Zellmodelle, die effizient und stabil die Translokations-Biosensoren exprimieren, wurde die 17 000 Substanzen umfassende Bibliothek der ChemBioNet-Initiative nach Kernexportinhibitoren mittels einer Fluoreszenzmikroskopie-basierten Hochdurchsatzanalyse-Plattform durchmustert. Zunächst wurden Translokations-Algorithmen, welche eine zuverlässige automatisierte Erkennung von Zellkern und Zytoplasma erlauben, optimiert. Im Folgenden konnten acht neue niedermolekulare Kernexport-Inhibitoren identifiziert werden, die sich in der Stärke, der Geschwindigkeit, sowie in der Beständigkeit der vermittelten Inhibition unterscheiden. Die Aktivität der Inhibitoren konnte auf den isolierten nukleären Exportsignalen (NES) von HIV-1 Rev und Survivin als auch auf den entsprechenden Volllängeproteinen mittels Mikroinjektionsexperimenten sowie durch umfassende in vitro und biochemische Methoden bestätigt werden. Zur Untersuchung der funktionellen Einheiten der Inhibitoren wurden homologe Substanzen auf Ihre Aktivität hin getestet. Dabei konnten für die Aktivität wichtige chemische Gruppen definiert werden. Alle Substanzen stellen neue Inhibitoren des Crm1-abhängigen Exports dar und zeigen keine nachweisbare NES-Selektivität. Interessanterweise konnte jedoch eine zytotoxische und Apoptose-induzierende Wirkung auf verschiedene Krebszellarten festgestellt werden. Da diese Wirkung unabhängig vom p53-Status der Tumorzellen ist und die Inhibitoren C3 und C5 die Vitalität nicht-maligner humaner Zellen signifikant weniger beeinträchtigen, wurden diese Substanzen zum internationalen Patent angemeldet. Da der nukleäre Export besonders für Tumorzellen einen wichtigen Überlebenssignalweg darstellt, könnte dessen reversible Hemmung ausgenutzt werden, um besonders in Kombination mit gängigen Krebstherapien eine therapeutisch relevante Tumorinhibition zu erzeugen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der neuen Exportinhibitoren ist auf dem Gebiet der Infektionskrankheiten zu sehen, da auch die Aktivität des essentiellen HIV-1 Rev-Proteins inhibiert wird. Zusätzlich konnte in der Arbeit gezeigt werden, dass der zelluläre Kofaktor des Crm1-abhängigen Exports des HIV-1 Rev-Proteins, die RNA-Helikase DDX3, ein eigenes NES enthält. Der Nachweis einer direkten Interaktion des HIV-1 Rev- mit dem DDX3-Protein impliziert, dass multiple Angriffstellen für chemische Modulatoren hinsichtlich einer antiviralen Therapie gegeben sind. Da die Vielfalt des chemischen Strukturraums es unmöglich macht diesen experimentell vollständig zu durchmustern, wurden im Rahmen dieser Arbeit auch Naturstoffe als vielversprechende Wirkstoffquelle untersucht. Um zukünftig umfassend bioaktive Substanzen aus diesen hochkomplexen Stoffgemischen experimentell identifizieren zu können, wurde eine Fluoreszenzmikroskopie-basierte Hochdurchsatzanalyse-Plattform am Mainz Screening Center (MSC) etabliert. Damit konnte bereits ein weiterer, bisher unbekannter Exportinhibitor aus Cyphellopsis anomala identifiziert werden. Neben einer Anwendung dieser Substanz als chemisches Werkzeug zur Aufklärung der Regulation von Transportvorgängen, stellt sich auch die evolutionsbiologisch relevante Frage, wie es dem Pilzproduzenten gelingt die Blockierung des eigenen Kernexports zu umgehen. Weiterführende Projekte müssen sich neben der Aufklärung der molekularen Wirkmechanismen der gefundenen Substanzen mit der Identifizierung spezifischer chemischer „Funktionseinheiten“ beschäftigen. Neben einem verbesserten mechanistischen Verständnis von Transportvorgängen stellen die erarbeiteten Transportinhibitoren Vorstufen zur Weiterentwicklung möglicher Wirkstoffe dar. Die im Rahmen dieser Arbeit etablierte Technologie-Plattform und molekularen Werkzeuge stellen darüber hinaus eine wichtige Voraussetzung dar, um eine systematische Suche nach möglichen Wirkstoffen im Forschungsfeld der „Chemischen Biomedizin“ voranzutreiben.

Aktivierung von c-Jun-N-terminalen Kinasen (SAPK,JNK) als Teil der späten Cisplatin abhängigen DNA-Schadensantwort

Stress-aktivierte-Protein-Kinasen (c-Jun-N-terminal kinases) SAPK/JNK werden sehr schnell nach Exposition von Zellen mit verschiedensten Noxen, wie beispielsweise Genotoxinen, aktiviert. Sie sind allerdings noch nicht als Teil der DNA-Schadensantwort etabliert. In dieser Arbeit sollte gezeigt werden, das SAPK/JNK einen wichtigen Teil innerhalb der DNA-Schadensantwort spielen. Aus diesem Grund wurde zu frühen (z.B.: 4 h) als auch zu späten Zeiten (z.B.: 24 h) die Bildung von DNA-Addukten nach Cisplatin Exposition untersucht und überprüft, ob diese mit dem Aktivierungsstatus der SAPK/JNK nach Cisplatinbehandlung korreliert. Menschliche Fibroblasten, die einen Defekt in der Transkription gekoppelten Nukleotid-Exzisionsreparatur (TC-NER) aufwiesen, wie beispielsweise CSB-Zellen (Cockayne Syndrom B) oder XPA-Zellen (Xeroderma Pigmentosum A), sind charakterisiert durch einen erhöhten Phosphorylierungsstatus der SAPK/JNK, 16 h nach Cisplatingabe, im Vergleich zu normalen Wildtyp-Fibroblasten. Die nach Cisplatin Exposition beobachtete Aktivierung der SAPK/JNK ist quantitativ jedoch nicht vergleichbar mit dem Level an gebildeten Cisplatin-DNA-Addukten, wie in den Southwestern- und Massenspektrometrischen Untersuchungen gezeigt werden konnte. Es konnten jedoch Parallelen zwischen der Aktivierung der SAPK/JNK, sowie den gezeigten γ-H2AX-Foci als auch der Aktivierung von Check-Point Kinasen gefunden werden. Dies lässt darauf schließen, dass DNA-Doppelstrangbrüche (DSB) an der späten Aktivierung des SAPK/JNK Signalweges beteiligt sind. Dementsprechend lässt sich ebenfalls in Zellen, die einen Defekt in der Reparatur von Doppelstrangsbrüchen aufweisen, wie beispielsweise DNA-PKcs Zellen, eine erhöhte, durch Cisplatin hervorgerufene späte Phosphorylierung der SAPK/JNK als auch eine vermehrte γ-H2AX-Foci Bildung und Check-Point Kinasen Aktivierung nachweisen. Vergleichend dazu zeigten Zellen mit einem Defekt in ATM (Ataxia telegiectasia mutated protein) oder XPC keine erhöhte Phosphorylierung zu späten Zeiten nach Cisplatin Behandlung. Weiterhin bleibt festzuhalten, dass die späte, durch Cisplatin hervorgerufene Schadensantwort unabhängig von p53, ER-Stress oder MKP-1 ist. Die SAPK/JNK Aktivierung nach Cisplatin Exposition erfordert funktionsfähige Rho-GTPasen und kann durch pharmakologische Hemmung der Tyrosin-Kinasen und durch N-Acetylcystein gehemmt werden. Es lässt sich zusammenfassend sagen, dass die durch Cisplatin induzierte späte SAPK/JNK Aktivierung durch die Formation von DSB initiiert wird und XPC, Rho-Proteine sowie Tyrosin Kinasen an der Signalweiterleitung beteiligt sind.

Closed-loop investigation of the dynamical properties of cardiomyocyte electrophysiology by means of Dynamic clamp and Mathematical modelling

The research field of my PhD concerns mathematical modeling and numerical simulation, applied to the cardiac electrophysiology analysis at a single cell level. This is possible thanks to the development of mathematical descriptions of single cellular components, ionic channels, pumps, exchangers and subcellular compartments. Due to the difficulties of vivo experiments on human cells, most of the measurements are acquired in vitro using animal models (e.g. guinea pig, dog, rabbit). Moreover, to study the cardiac action potential and all its features, it is necessary to acquire more specific knowledge about single ionic currents that contribute to the cardiac activity. Electrophysiological models of the heart have become very accurate in recent years giving rise to extremely complicated systems of differential equations. Although describing the behavior of cardiac cells quite well, the models are computationally demanding for numerical simulations and are very difficult to analyze from a mathematical (dynamical-systems) viewpoint. Simplified mathematical models that capture the underlying dynamics to a certain extent are therefore frequently used. The results presented in this thesis have confirmed that a close integration of computational modeling and experimental recordings in real myocytes, as performed by dynamic clamp, is a useful tool in enhancing our understanding of various components of normal cardiac electrophysiology, but also arrhythmogenic mechanisms in a pathological condition, especially when fully integrated with experimental data.

Detektion von Nickel- und Cobaltspezies in einzelnen lebenden Zellen mit hoher lateraler Auflösung

Übergangsmetallen wie Nickel und Cobalt kommt meist eine große Bedeutung als Cofaktor in Enzymen oder Metallkomplexen im Metabolismus von Lebewesen zu. Da eine sehr geringe Konzentration dieser Übergangsmetalle in einer Zelle für deren Funktionalität ausreicht, ist eine konstante Konzentration der Spurenelemente in einer Zelle angestrebt. Durch meist anthropogene Einflüsse sind Pflanzen und Menschen zunehmend hohen Konzentrationen von Übergangsmetallen ausgesetzt, die in Abhängigkeit von ihrer Spezies, der Konzentration und der Lokalisation unterschiedliche Toxizitäten aufweisen können. Die Speziation von Metallen wurde bisher mittels gängiger Analyseverfahren, wie der ICP-MS und ähnlicher Verfahren, anhand von bulk-Material durchgeführt. Durch die Entwicklung von optischen Sensoren für Metallionen war es möglich, diese Metalle auch in lebenden Zellen mittels Fluoreszenzmikroskopie zu lokalisieren. Ke und Kollegen (2006, 2007) nutzten einen solchen optischen Sensor - Newport Green DCF, um die Aufnahme von Nickel in humane A543 Lungenbronchialepithelzellen nach Inkubation mit dem wasserlöslichen NiCl2 (0,5 mM und 1 mM) sowie den wasserunlöslichen Verbindungen Ni3S2 (0,5 µg/cm2 und 1 µg/cm2) und NiS (2,5 µg/cm2) nachzuweisen und zu lokalisieren und konnten damit eine Akkumulation von Nickel im Zytoplasma und im Zellkern aufzeigen. Dabei war bei wasserlöslichen und wasserunlöslichen Nickelverbindungen Nickel nach 24 h im Zytoplasma und erst nach 48 h im Zellkern zu beobachten.rnrnDa Nickel und Cobalt keine detektierbare Eigenfluoreszenz unter den gegebenen Bedingungen zeigten, wurde für den optischen Nachweis von Nickel und Cobalt mit dem konfokalen Laser-Raster Mikroskop (CLSM) nach der Zugabe der verschiedenen wasserlöslichen und wasserunlöslichen Metallverbindungen NiCl2, NiSO4, Ni3S2 und CoCl2 in einzelnen lebenden humanen Gingiva-Fibroblasten, sowie in Pflanzenzellen in dieser Arbeit ebenfalls der optische Sensor Newport Green DCF genutzt. Korrespondierend zu den Ergebnissen früherer Arbeiten von Ke et al. (2006, 2007), in denen die Nickelaufnahme bei Konzentrationen von >0,5 mM NiCl2 bzw. >0,5 µg/cm2 Ni3S2 gezeigt wurde, wurde Nickel in Fibroblasten in Abhängigkeit von der Spezies mit steigender Metallkonzentration von 100 µM bis 500 µM nach 16 h im Zytoplasma und zunehmend nach 24 h bis 48 h im Zellkern detektiert. Bei der wasserunlöslichen Verbindung Ni3S2 war der Nachweis von Nickel im Zellkern bereits nach 16 h bis 24 h erfolgreich. Zusätzlich wurden weitere Strukturen wie das Endoplasmatische Retikulum, die Mitochondrien und die Nukleoli durch eine starke Fluoreszenz des optischen Sensors bei Colokalisationsexperimenten mit Organell-spezifischen Fluoreszenzfarbstoffen als target für die Nickelbindung vermutet. Die Lokalisation von Cobalt in den Fibroblasten entsprach weitgehend der Lokalisation von Nickel. Im Zellkern war die Cobaltlokalisation jedoch auf die Nukleoli beschränkt. Weiterführende Versuche an humanen Gingiva-Fibroblasten zeigten, dass die Aufnahme der Metalle in die Fibroblasten pH-Wert abhängig war. Niedrige pH-Werte im sauren pH-Bereich verringerten die Aufnahme der Metalle in die Zellen, wobei ein pH-Wert im basischen Bereich keinen bedeutenden Unterschied zum neutralen pH-Bereich aufwies. Im Vergleich zu den Fibroblasten war in Pflanzenzellen zu jedem Zeitpunkt, auch bei geringen Konzentrationen der Metallverbindungen sowie des optischen Sensors, Nickel und Cobalt in den Zellkernen detektierbar. Durch die Eigenschaft der Pflanzenzellen eine Vakuole zu besitzen, war Nickel und Cobalt hauptsächlich in den Vakuolen lokalisiert. Weitere Strukturen wie das Endoplasmatische Retikulum, die Mitochondrien oder auch die Zellwand kamen bei Pflanzenzellen als target in Frage.rnrnDie Fluoreszenz und Lokalisation der Metalle in den Fibroblasten waren unabhängig von der Spezies sehr ähnlich, sodass in den Zellen die Spezies anhand der fluoreszenzmikroskopischen Aufnahmen kaum unterschieden werden konnten. Lambda-Scans in verschiedenen regions of interest (ROI) wurden durchgeführt, um durch die Fluoreszenzspektren Hinweise auf eine charakteristische Beeinflussung der Bindungspartner von Nickel und Cobalt oder dieser Metalle selbst in den Zellen auf den optischen Sensor zu bekommen und diese dadurch identifizieren zu können. Das Ziel der parallelen Detektion bzw. Lokalisation und gleichzeitigen Speziation bestimmter Nickel- und Cobaltpezies in einzelnen lebenden Zellen konnte in dieser Arbeit durch den optischen Sensor Newport Green DCF nicht erreicht werden.

On the aetiology of bovine neonatal pancytopenia (BNP)

Bovine Neonatal Pancytopenia (BNP) is a novel haemorrhagic disease in sucking calves, characterised by bleeding, haematological changes and high mortality. Dams that gave birth to BNP affected calves were immunized with PregSure® BVD, a highly adjuvanted vaccine against Bovine Viral Diarrhoea (BVD). We can show that bioprocess impurities in the vaccine, originating from the cell line used for vaccine production induces alloantibodies in vaccinated cattle. Via flow cytometry and immunoprecipitation we can demonstrate that PregSure® BVD immunization leads to BNP alloantibody production. BNP alloantibodies target highly polymorphic bovine MHC-I molecules (BoLA I). We sequenced eight BoLA I variants expressed by the production cell line and identified three alleles which are responsible for the majority of PregSure® BVD induced BoLA I reactivity. The BoLA I alleles of BNP unaffected calves are not recognized by the BNP associated alloantibodies of their respective dams. We also examined whether BNP alloantibodies cross-react with human cells, thus being a potential hazard for human colostrum consumers and could show that BNP alloantibodies are cross-reactive to human MHC-I and can even be found in commercial colostrum powder manufactured from cows immunized with PregSure® BVD. Overall we can demonstrate that BNP is a vaccine induced alloimmune disease.

Kaiso und CTCF regulieren geprägte Gene in cis und in trans

Geprägte Gene besitzen die Besonderheit, dass sie jeweils nur von einem Allel exprimiert werden und in der Regel in Imprinting Clustern (ICs) im Genom vorliegen. Bei der Regulation in solchen ICs spielen differentiell methylierte Imprinting Kontrollregionen (ICRs) und dort stattfindende Proteinbindungen eine wichtige Rolle. Die essentielle Bedeutung der CTCF-Bindung an die ICR1 in 11p15.5 für die Expressionsregulation der geprägten Gene H19 und IGF2 ist bereits bekannt. In der vorliegenden Arbeit sollte die Bindung von Kaiso an die unmethylierte ICR1 bei humanen Zellen mit maternaler uniparentaler Disomie von 11p15 (upd(11p15)mat) nachgewiesen und die genaue Bindungsverteilung von Kaiso und CTCF in den B-Repeats der Kontrollregion bestimmt werden. Cis-regulatorische und chromosomenübergreifende transkriptionelle Effekte der ICR1-Proteinbindungen sollten dann durch qPCR-Analysen geprägter Gene bei Zellen mit maternaler und paternaler upd(11p15) und nach siRNA-basierter Herunterregulation der beiden Proteine in Zellen mit upd(11p15)mat analysiert werden. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass Kaiso an die unmethylierte ICR1 bindet. Dabei kann zumindest von einer Bindestellennutzung in der distalen ICR1-Hälfte ausgegangen werden. Für CTCF hingegen wurde eine Nutzung aller analysierten Repeats in beiden ICR1-Hälften gefunden. In der maternalen bzw. paternalen upd(11p15) entspricht die Expression der 11p15.5-Gene IGF2, H19, CDKN1C und KCNQ1OT1 dem jeweiligen Disomie-Status. Von den nicht auf Chromosom 11 gelegenen geprägten Genen zeigen MEST und PLAGL1 bei Zellen mit upd(11p15)pat sowie PEG3 und GRB10 bei der upd(11p15)mat eine stärkere Expression. Ein CTCF-knockdown in Zellen mit upd(11p15)mat führt zur IGF2-Expressionssteigerung. Dies tritt in noch stärkerem Maße beim knockdown von Kaiso auf, wobei hier zusätzlich eine gesteigerte Expression von H19 vorliegt. Des Weiteren findet man beim CTCF-knockdown einen MEST-Expressionsanstieg und beim Kaiso-knockdown gesteigerte Expressionen der Gene PEG3, GRB10 und PLAGL1. Damit lassen sich sowohl eigenständige cis-regulatorische Effekte der ICR1-Bindung beider Proteine auf geprägte Gene des IC1 als auch chromosomenübergreifende Effekte erkennen. Vor allem die starken H19-Expressionsanstiege beim Kaiso-knockdown treten korrelierend mit Veränderungen von geprägten Genen anderer Chromosomen auf. Damit unterstützen die Daten die Theorie, dass die Expressionsregulation geprägter Gene koordiniert in einer Art Netzwerk stattfinden könnte und dabei bestimmte Faktoren wie H19 und PLAGL1 eine übergeordnete Regulatorfunktion besitzen, wie es in Vergangenheit in der Maus beschrieben wurde. Die Expressionsanalysen von PLAGL1 und MEST deuten darüber hinaus durch ihre tendenziell übereinstimmenden Werte bei der paternalen upd mit hypermethylierter ICR1 und den knockdowns auf die Existenz von Chromatin-Interaktionen zwischen der ICR1 und Abschnitten auf den Chromosomen 6 und 7 hin, ggf. mit einem entsprechenden lokalen Effekt der Proteine in diesen Loci. Proteinbindungen an die maternale ICR1 scheinen damit sowohl cis-regulatorisch die Transkription der geprägten Gene IGF2 und H19 zu beeinflussen als auch durch die H19-Expression ein funktionelles Netzwerk geprägter Gene als trans-Faktor zu regulieren und für Interaktionen zwischen verschiedenen Chromosomen mit transkriptionsregulierender Wirkung verantwortlich zu sein.

Einfluss von Uracil in der DNA auf die Genexpression : die Rolle der Basen-Exzisions-Reparatur

Uracil ist eine der am häufigsten vorkommenden DNA-Basenmodifikationen, die über den Mechanismus der Basen-Exzisions-Reparatur (BER) aus dem Genom entfernt wird. Im Verlauf der Reparatur dieser Läsion durch monofunktionelle Uracil-DNA-Glykosylasen (UNG1/2, SMUG1, TDG und MBD4) entstehen AP-Läsionen und Einzelstrangbrüche. Da von beiden bekannt ist, eine Blockade der Transkription verursachen zu können, wurde in dieser Arbeit der Einfluss von Uracil und dessen Exzision auf die Expression eines Gens untersucht. Dafür wurde eine effiziente Methode entwickelt, die DNA-Basenmodifikation spezifisch in den transkribierten oder nicht-transkribierten DNA-Strang eines Reporter-Vektors einzufügen. rnIn Host cell reactivation Assays konnte gezeigt werden, dass Uracil unabhängig davon, ob es mit Adenin gepaart (U:A) oder mit Guanin (U:G) eine Fehlpaarung bildet, keine direkte Blockade der Transkriptions-Maschinerie in menschlichen Zellen auszulösen vermag. Dies kann daraus geschlossen werden, dass die Expression des Reportergens der Uracil-enthaltenen Vektoren im Vergleich zu unmodifizierten Referenz-Vektoren kurze Zeit nach der Transfektion unverändert ist. Die erst mit zunehmender Inkubationszeit in den Wirtszellen progressiv abnehmende Transkription ließ vermuten, dass die intrazelluläre Prozessierung der Läsion über die BER für die verringerte Genexpression verantwortlich ist. In der Tat bewirkte der Knockdown der BER-initiierenden UNG1/2, die Uracil aus der DNA herausschneidet und damit eine AP-Läsion generiert, eine Verringerung des negativen Effektes eines U:A-Basenpaares auf die Genexpression. Dass der Knockdown der SMUG1- oder TDG-Glykosylase hingegen keine Auswirkungen zeigte, beweist, dass UNG1/2 die Hauptglykosylase für die Exzision dieser Läsion und der Auslöser der inhibierten Transkription in HeLa-Zellen darstellt. Der Zusammenhang zwischen dem Maß des Ausschnitts einer DNA-Basenmodifikation im Verlauf der BER und einer verringerten Expression des Reportergens konnte zudem am Beispiel von 5-Hydroxymethyluracil und der für diese Läsion spezifischen SMUG1-Glykosylase nachgewiesen werden. Im Falle einer U:G-Fehlpaarung besaß weder UNG1/2 noch SMUG1 oder TDG einen Einfluss auf die Rate oder das Ausmaß der mit der Zeit abnehmenden Genexpression, was die Beteiligung einer anderen Glykosylase oder eines anderen Reparatur-Mechanismus vermuten lässt. rnDie Tatsache, dass die Stärke der Gen-Suppression unabhängig davon war, ob Uracil im transkribierten oder nicht-transkribierten DNA-Strang positioniert wurde, lässt die Mutmaßung zu, dass keine Blockade der elongierenden RNA-Polymerase, sondern vielmehr ein indirekter Mechanismus der Auslöser für die verringerte Transkription ist. Dieser Mechanismus muss unabhängig von der gut untersuchten transkriptionsgekoppelten Nukleotid-Exzisions-Reparatur erfolgen, da der Knockdown des hierfür benötigten CSB-Gens keine Auswirkungen auf die Inhibition der Genexpression der Uracil-enthaltenen Vektoren hatte. Insgesamt liefert diese Arbeit neue Erkenntnisse über den Beitrag der einzelnen Uracil-DNA-Glykosylasen zur Reparatur der DNA-Basenmodifikation Uracil in humanen Zellen und zeigt, dass die BER über einen indirekten Mechanismus die Hemmung der Genexpression verursacht.

Imetelstat (GRN163L)--telomerase-based cancer therapy

Telomeres and telomerase play essential roles in the regulation of the lifespan of human cells. While normal human somatic cells do not or only transiently express telomerase and therefore shorten their telomeres with each cell division, most human cancer cells typically express high levels of telomerase and show unlimited cell proliferation. High telomerase expression allows cells to proliferate and expand long-term and therefore supports tumor growth. Owing to the high expression and its role, telomerase has become an attractive diagnostic and therapeutic cancer target. Imetelstat (GRN163L) is a potent and specific telomerase inhibitor and so far the only drug of its class in clinical trials. Here, we report on the structure and the mechanism of action of imetelstat as well as about the preclinical and clinical data and future prospects using imetelstat in cancer therapy.

Duloxetine inhibits effects of MDMA ("ecstasy") in vitro and in humans in a randomized placebo-controlled laboratory study

This study assessed the effects of the serotonin (5-HT) and norepinephrine (NE) transporter inhibitor duloxetine on the effects of 3,4-methylenedioxy-methamphetamine (MDMA, ecstasy) in vitro and in 16 healthy subjects. The clinical study used a double-blind, randomized, placebo-controlled, four-session, crossover design. In vitro, duloxetine blocked the release of both 5-HT and NE by MDMA or by its metabolite 3,4-methylenedioxyamphetamine from transmitter-loaded human cells expressing the 5-HT or NE transporter. In humans, duloxetine inhibited the effects of MDMA including elevations in circulating NE, increases in blood pressure and heart rate, and the subjective drug effects. Duloxetine inhibited the pharmacodynamic response to MDMA despite an increase in duloxetine-associated elevations in plasma MDMA levels. The findings confirm the important role of MDMA-induced 5-HT and NE release in the psychotropic effects of MDMA. Duloxetine may be useful in the treatment of psychostimulant dependence.

Functional flexibility of intestinal IgA - broadening the fine line

Intestinal bacteria outnumber our own human cells in conditions of both health and disease. It has long been recognized that secretory antibody, particularly IgA, is produced in response to these microbes and hypothesized that this must play an important role in defining the relationship between a host and its intestinal microbes. However, the exact role of IgA and the mechanisms by which IgA can act are only beginning to be understood. In this review we attempt to unravel the complex interaction between so-called "natural," "primitive" (T-cell-independent), and "classical" IgA responses, the nature of the intestinal microbiota/intestinal pathogens and the highly flexible dynamic homeostasis of the mucosal immune system. Such an analysis reveals that low-affinity IgA is sufficient to protect the host from excess mucosal immune activation induced by harmless commensal microbes. However, affinity-maturation of "classical" IgA is essential to provide protection from more invasive commensal species such as segmented filamentous bacteria and from true pathogens such as Salmonellatyphimurium. Thus a correlation is revealed between "sophistication" of the IgA response and aggressiveness of the challenge. A second emerging theme is that more-invasive species take advantage of host inflammatory mechanisms to more successfully compete with the resident microbiota. In many cases, the function of IgA may be to limit such inflammatory responses, either directly by coagulating or inhibiting virulence of bacteria before they can interact with the host or by modulating immune signaling induced by host recognition. Therefore IgA appears to provide an added layer of robustness in the intestinal ecosystem, promoting "commensal-like" behavior of its residents.

Topo IIIalpha and BLM act within the Fanconi anemia pathway in response to DNA-crosslinking agents

The Bloom protein (BLM) and Topoisomerase IIIalpha are found in association with proteins of the Fanconi anemia (FA) pathway, a disorder manifesting increased cellular sensitivity to DNA crosslinking agents. In order to determine if the association reflects a functional interaction for the maintenance of genome stability, we have analyzed the effects of siRNA-mediated depletion of the proteins in human cells. Depletion of Topoisomerase IIIalpha or BLM leads to increased radial formation, as is seen in FA. BLM and Topoisomerase IIIalpha are epistatic to the FA pathway for suppression of radial formation in response to DNA interstrand crosslinks since depletion of either of them in FA cells does not increase radial formation. Depletion of Topoisomerase IIIalpha or BLM also causes an increase in sister chromatid exchanges, as is seen in Bloom syndrome cells. Human Fanconi anemia cells, however, do not demonstrate increased sister chromatid exchanges, separating this response from radial formation. Primary cell lines from mice defective in both Blm and Fancd2 have the same interstrand crosslink-induced genome instability as cells from mice deficient in the Fancd2 protein alone. These observations demonstrate that the association of BLM and Topoisomerase IIIalpha with Fanconi proteins is a functional one, delineating a BLM-Topoisomerase IIIalpha-Fanconi pathway that is critical for suppression of chromosome radial formation.

Molecular mechanisms of prostatic carcinoma growth and progression

Prostate cancer represents the most commonly diagnosed malignancies in American men and is the second leading cause of male cancer deaths. The overall objectives of this research were designed to understand the cellular and molecular mechanisms of prostatic carcinoma growth and progression. This dissertation was divided into two major parts: (1) to clone and characterize soluble factor(s) associated with bone that may mediate prostatic carcinoma growth and progression; (2) to investigate the roles of extracellular matrix in prostatic carcinogenesis.^ The propensity of prostate cancer cells to metastasize to the axial skeleton and the subsequent osteoblastic reactions observed in the bone indicate the possible reciprocal cellular interaction between prostate cancer cells and the bone microenvironment. To understand the molecular and cellular basis of this interaction, I focused on the identification and cloning of soluble factor(s) from bone stromal cells that may exert direct mitogenic action on cultured prostate cells. A novel BPGF-1 gene expressed specifically by bone and male accessory sex organs (prostate, seminal vesicles, and coagulating gland) was identified and cloned.^ The BPGF-1 was identified and cloned from a cDNA expression library prepared from a human bone stromal cell line, MS. The conditioned medium (CM) of this cell line contains mitogenic materials that induce human prostate cancer cell growth both in vivo and in vitro. The cDNA expression library was screened by an antibody prepared against the mitogenic fraction of the CM.^ The cloned BPGF-1 cDNA comprises 3171 nucleotides with a single open reading frame of 1620 nucleotides encoding 540 amino acids. The BPGF-1 gene encodes two transcripts (3.3 and 2.5 kb) with approximately equal intensity in human cells and tissues, but only one transcript (2.5 kb) in rat and mouse tissues. Southern blot analysis of human genomic DNA revealed a single BPGF-1 gene. The BPGF-1 gene is expressed predominantly in bone and seminal vesicles, but at a substantially lower level in prostate. Polyclonal antibodies generated from synthetic peptides that correspond to the nucleotide sequences of the cloned BPGF-1 cDNA reacted with a putative BPGF-1 protein with an apparent molecular weight of 70 kDa. The conditioned media isolated from COS cells transfected with BPGF-1 cDNA stimulated the proliferation and increased the anchorage-independent growth of prostate epithelial cells. These findings led us to hypothesize that BPGF-1 expression in relevant organs, such as prostate, seminal vesicles, and bone, may lead to local prostate cancer growth, metastasis to the seminal vesicles, and subsequently dissemination to the skeleton.^ To assess the importance of extracellular matrix in prostatic carcinogenesis, the role of extracellular matrix in induction of rat prostatic carcinoma growth in vivo was evaluated. NbE-1, a nontumorigenic rat prostatic epithelial cell line, was induced to form carcinoma in athymic nude hosts by coinjecting them with Matrigel and selected extracellular matrix components. Induction of prostatic tumor formation by laminin and collagen IV was inhibited by their respective antibodies. Prostatic epithelial cells cloned from the tumor tissues were found to form tumors in athymic nude hosts in the absence of exogenously added extracellular matrix. These results suggest that extracellular matrix induce irreversibly prostatic epithelial cells that behave distinctively different from the parental prostatic epithelial cell line. ^

Microbial-immune cross-talk and regulation of the immune system

We are all born germ-free. Following birth we enter into a lifelong relationship with microbes residing on our body's surfaces. The lower intestine is home to the highest microbial density in our body, which is also the highest microbial density known on Earth (up to 10(12) /g of luminal contents). With our indigenous microbial cells outnumbering our human cells by an order of magnitude our body is more microbial than human. Numerous immune adaptations confine these microbes within the mucosa, enabling most of us to live in peaceful homeostasis with our intestinal symbionts. Intestinal epithelial cells not only form a physical barrier between the bacteria-laden lumen and the rest of the body but also function as multi-tasking immune cells that sense the prevailing microbial (apical) and immune (basolateral) milieus, instruct the underlying immune cells, and adapt functionally. In the constant effort to ensure intestinal homeostasis, the immune system becomes educated to respond appropriately and in turn immune status can shape the microbial consortia. Here we review how the dynamic immune-microbial dialogue underlies maturation and regulation of the immune system and discuss recent findings on the impact of diet on both microbial ecology and immune function.

Characterization of the potential role for RNA-binding protein FUS in DNA damage response: A quantitative proteomic approach

FUS/TLS (fused in sarcoma/translocated in liposarcoma) is a ubiquitously expressed protein of the hnRNP family, that has been discovered as fused to transcription factors in several human sarcomas and found in protein aggregates in neurons of patients with an inherited form of Amyotrophic Lateral Sclerosis [Vance C. et al., 2009]. FUS is a 53 kDa nuclear protein that contains structural domains, such as a RNA Recognition Motif (RRM) and a zinc finger motif, that give to FUS the ability to bind to both RNA and DNA sequences. It has been implicated in a variety of cellular processes, such as pre-mRNA splicing, miRNA processing, gene expression control and transcriptional regulation [Fiesel FC. and Kahle PJ., 2011]. Moreover, some evidences link FUS to genome stability control and DNA damage response: mice lacking FUS are hypersensitive to ionizing radiation (IR) and show high levels of chromosome instability and, in response to double-strand breaks, FUS is phosphorylated by the protein kinase ATM [Kuroda M. et al., 2000; Hicks GG. et al., 2000; Gardiner M. et al., 2008]. Furthermore, preliminary results of mass spectrometric identification of FUS interacting proteins in HEK293 cells, expressing a recombinant flag-tagged FUS protein, highlighted the interactions with proteins involved in DNA damage response, such as DNA-PK, XRCC-5/-6, and ERCC-6, raising the possibilities that FUS is involved in this pathway, even though its role still needs to be clarified. This study aims to investigate the biological roles of FUS in human cells and in particular the putative role in DNA damage response through the characterization of the proteomic profile of the neuroblastoma cell line SH-SY5Y upon FUS inducible depletion, by a quantitative proteomic approach. The SH-SY5Y cell line that will be used in this study expresses, in presence of tetracycline, a shRNA that targets FUS mRNA, leading to FUS protein depletion (SH-SY5Y FUS iKD cells). To quantify changes in proteins expression levels a SILAC strategy (Stable Isotope Labeling by Amino acids in Cell culture) will be conducted on SH-SY5Y FUS iKD cells and a control SH-SY5Y cell line (that expresses a mock shRNA) and the relative changes in proteins levels will be evaluated after five and seven days upon FUS depletion, by nanoliquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (nLC-MS/MS) and bioinformatics analysis. Preliminary experiments demonstrated that the SH-SY5Y FUS iKD cells, when subjected to genotoxic stress (high dose of IR), upon inducible depletion of FUS, showed a increased phosphorylation of gH2AX with respect to control cells, suggesting an higher activation of the DNA damage response.