EVALUATION OF IN VITRO AND IN VIVO EFFECTS OF SEMIPURIFIED PROTEINASE INHIBITORS FROM THEOBROMA SEEDS ON MIDGUT PROTEASE ACTIVITY OF LEPIDOPTERAN PEST INSECTS

We have characterized in vitro and in vivo effects of trypsin inhibitors from Theobroma seeds on the activity of trypsin- and chymotrypsin-like proteins from Lepidopteran pest insects. The action of semipurified trypsin inhibitors from Theobroma was evaluated by the inhibition of bovine trypsin and chymotrypsin activities determined by the hydrolysis of N-Benzoyl-DL-Arginine-p-Nitroanilide (BAPA) and N-Succinyl-Ala-Ala-Pho-Phe p-Nitroanilide (S-(Ala)2ProPhe-pNA). Proteinase inhibitor activities from Theobroma cacao and T. obovatum seeds were the most effective in inhibiting trypsin-like proteins, whereas those from T. obovatum and T. sylvestre were the most efficient against chymotrypsin-like proteins. All larvae midgut extracts showed trypsin-like proteolytic activities, and the putative trypsin inhibitors from Theobroma seeds significantly inhibited purified bovine trypsin. With respect to the influence of Theobroma trypsin inhibitors on intact insects, the inclusion of T. cacao extracts in artificial diets of velvet bean caterpillars (Anticarsia gemmatalis) and sugarcane borer (Diatraea saccharalis) produced a significant increase in the percentage of adult deformation, which is directly related to both the survival rate of the insects and oviposition.

Biochemical Aspects of a Serine Protease from Caesalpinia echinata Lam. (Brazilwood) Seeds: A Potential Tool to Access the Mobilization of Seed Storage Proteins

Several proteins have been isolated from seeds of leguminous, but this is the first report that a protease was obtained from seeds of Caesalpinia echinata Lam., a tree belonging to the Fabaceae family. This enzyme was purified to homogeneity by hydrophobic interaction and anion exchange chromatographies and gel filtration. This 61-kDa serine protease (CeSP) hydrolyses H-D-prolyl-L-phenylalanyl-L-arginine-p-nitroanilide (K-m 55.7 mu M) in an optimum pH of 7.1, and this activity is effectively retained until 50 degrees C. CeSP remained stable in the presence of kosmotropic anions (PO43-, SO42-, and CH3COO-) or chaotropic cations (K+ and Na+). It is strongly inhibited by TLCK, a serine protease inhibitor, but not by E-64, EDTA or pepstatin A. The characteristics of the purified enzyme allowed us to classify it as a serine protease. The role of CeSP in the seeds cannot be assigned yet but is possible to infer that it is involved in the mobilization of seed storage proteins.

Mannose-binding lectin and MBL-associated serine protease-2 gene polymorphisms in a Brazilian population from Rio de Janeiro

Mannose-binding lectin (MBL) is a protein able to bind to carbohydrate patterns on pathogen membranes; upon MBL binding, its associated serine protease MBL-associated serine protease type 2 (MASP2) is autoactivated, promoting the activation of complement via the lectin pathway. For both MBL2 and MASP2 genes, the frequencies of polymorphisms are extremely variable between different ethnicities, and this aspect has to be carefully considered when performing genetic studies. While polymorphisms in the MBL-encoding gene (MBL2) have been associated, depending upon ethnicity, with several diseases in different populations, little is known about the distribution of MASP2 gene polymorphisms in human populations. The aim of our study was thus to determine the frequencies of MBL2 (exon 1 and promoter) and MASP2 (p.D371Y) polymorphisms in a Brazilian population from Rio de Janeiro. A total of 294 blood donor samples were genotyped for 27 polymorphisms in the MBL2 gene by direct sequencing of a region spanning from the promoter polymorphism H/L rs11003125 to the rs1800451 polymorphism (at codon 57 in the first exon of the gene). Genotyping for MASP2 p.D371Y was carried out using fluorogenic probes. To our knowledge, this is the first study reporting the prevalence of the MASP2 p.D371Y polymorphism in a Brazilian population. The C allele frequency 39% is something intermediate between the reported 14% in Europeans and 90% in Sub-Saharan Africans. MBL2 polymorphisms frequencies were quite comparable to those previously reported for admixed Brazilians. Both MBL2 and MASP2 polymorphisms frequencies reported in our study for the admixed Brazilian population are somehow intermediate between those reported in Europeans and Africans, reflecting the ethnic composition of the southern Brazilian population, estimated to derive from an admixture of Caucasian (31%), African (34%) and Native American (33%) populations. In conclusion, our population genetic study describes the frequencies of MBL2 and MASP2 functional SNPs in a population from Rio de Janeiro, with the aim of adding new information concerning the distribution of these SNPs in a previously unanalysed Brazilian population, thus providing a new genetic tool for the evaluation of the association of MBL2 and MASP2 functional SNPs with diseases in Brazil, with particular emphasis on the state of Rio de Janeiro.

Human beta-defensin 2 and protease activated receptor-2 expression in patients with chronic periodontitis

Objective: Some previous studies have shown that gingipains, trypsin-like proteases produced by Porphyromonas gingivalis, up-regulate human beta defensin-2 (HBD-2) mRNA expression through protease-activated receptor-2 (PAR(2)) in gingival epithelial cells. This study aimed at investigating salivary HBD-2 levels and crevicular PAR(2) mRNA expression in human chronic periodontitis and evaluating whether periodontal treatment affected this process. Methods: Salivary and gingival crevicular fluid (GCF) samples were collected from periodontally healthy (control) and chronic periodontitis patients at baseline and 50 days after nonsurgical periodontal treatment. Salivary HBD-2, and GCF TNF-alpha levels were analysed by ELISA, and PAR(2) mRNA at the GCF was evaluated by RT-PCR. Results: P. gingivalis was significantly (p < 0.05) more prevalent in patients with chronic periodontitis when compared to controls. This prevalence decreased after periodontal therapy (p < 0.0001). The control group showed statistically significant lower levels of HBD-2, TNF-alpha, and PAR(2) expression when compared to the chronic periodontitis group. In addition, periodontal treatment significantly reduced PAR(2) expression and HBD-2 levels in chronic periodontitis patients (p < 0.001). Conclusions: Our results suggest that salivary HBD-2 levels and PAR(2) mRNA expression from GCF are higher in subjects with chronic periodontitis than in healthy subjects, and that periodontal treatment decreases both HBD-2 levels and PAR(2) expression. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Impact of Protease Inhibitors on Dentin Matrix Degradation by Collagenase

This proof-of-concept study assessed whether the reduction of the degradation of the demineralized organic matrix (DOM) by pre-treatment with protease inhibitors (PI) is effective against dentin matrix loss. Bovine dentin slices were demineralized with 0.87 M citric acid, pH 2.3, for 36 hrs. In sequence, specimens were treated or not (UT, untreated) for 1 min with gels containing epigallocatechin 3-gallate (EGCG, 400 A mu M), chlorhexidine (CHX, 0.012%), FeSO4 (1 mM), NaF (1.23%), or no active compound (P, placebo). Specimens were then stored in artificial saliva (5 days, 37 degrees C) with the addition of collagenase (Clostridium histolyticum, 100 U/mL). We analyzed collagen degradation by assaying hydroxyproline (HYP) in the incubation solutions (n = 5) and evaluated the dentin matrix loss by profilometry (n = 12). Data were analyzed by ANOVA and Tukey's test (p < 0.05). Treatment with gels containing EGCG, CHX, or FeSO4 led to significantly lower HYP concentrations in solution and dentin matrix loss when compared with the other treatments. These results strongly suggest that the preventive effects of the PI tested against dentin erosion are due to their ability to reduce the degradation of the DOM.

Identification of unannotated exons of low abundance transcripts in Drosophila melanogaster and cloning of a new serine protease gene upregulated upon injury

Abstract Background The sequencing of the D.melanogaster genome revealed an unexpected small number of genes (~ 14,000) indicating that mechanisms acting on generation of transcript diversity must have played a major role in the evolution of complex metazoans. Among the most extensively used mechanisms that accounts for this diversity is alternative splicing. It is estimated that over 40% of Drosophila protein-coding genes contain one or more alternative exons. A recent transcription map of the Drosophila embryogenesis indicates that 30% of the transcribed regions are unannotated, and that 1/3 of this is estimated as missed or alternative exons of previously characterized protein-coding genes. Therefore, the identification of the variety of expressed transcripts depends on experimental data for its final validation and is continuously being performed using different approaches. We applied the Open Reading Frame Expressed Sequence Tags (ORESTES) methodology, which is capable of generating cDNA data from the central portion of rare transcripts, in order to investigate the presence of hitherto unnanotated regions of Drosophila transcriptome. Results Bioinformatic analysis of 1,303 Drosophila ORESTES clusters identified 68 sequences derived from unannotated regions in the current Drosophila genome version (4.3). Of these, a set of 38 was analysed by polyA+ northern blot hybridization, validating 17 (50%) new exons of low abundance transcripts. For one of these ESTs, we obtained the cDNA encompassing the complete coding sequence of a new serine protease, named SP212. The SP212 gene is part of a serine protease gene cluster located in the chromosome region 88A12-B1. This cluster includes the predicted genes CG9631, CG9649 and CG31326, which were previously identified as up-regulated after immune challenges in genomic-scale microarray analysis. In agreement with the proposal that this locus is co-regulated in response to microorganisms infection, we show here that SP212 is also up-regulated upon injury. Conclusion Using the ORESTES methodology we identified 17 novel exons from low abundance Drosophila transcripts, and through a PCR approach the complete CDS of one of these transcripts was defined. Our results show that the computational identification and manual inspection are not sufficient to annotate a genome in the absence of experimentally derived data.

P16-39. T cell recognition of autologous and non-autologous HIV-1 protease peptides by HIV-1 infected patients undergoing PI therapy

NIH, ICGEB, FAPESP, CNPq

Sorption of aspartic and glutamic aminoacids on calcined hydrotalcite

Sorption of aspartic and glutamic aminoacids by regeneration of calcined hydrotalcite is reported. Hydrotalcite was synthesized by coprecipitation and calcined at 773 K. Sorption experiments were performed at 298 K and 310 K, and the results reveal that at low aminoacids equilibrium concentrations, intercalation of hydroxyl anions takes place while at high equilibrium concentrations, the sorption process occur by means re-hydration and aminoacids intercalation of hydrotalcite. The results also suggested that Asp and Glu sorption is a temperature dependent process. The amount of sorbed amino acid decreases as the temperature increase. The effect is more pronounced for Glu sorption probably due to its higher hydrophobic character, which makes the sorption more difficult in comparison with sorption of Asp at higher temperature.

Periodontal treatment downregulates protease-activated receptor 2 in human gingival crevicular fluid cells

Protease-activated receptor 2 (PAR2) is implicated in the pathogenesis of chronic inflammatory diseases, including periodontitis; it can be activated by gingipain and produced by Porphyromonas gingivalis and by neutrophil protease 3 (P3). PAR2 activation plays a relevant role in inflammatory processes by inducing the release of important inflammatory mediators associated with periodontal breakdown. The effects of periodontal treatment on PAR2 expression and its association with levels of proinflammatory mediators and activating proteases were investigated in chronic periodontitis patients. Positive staining for PAR2 was observed in gingival crevicular fluid cells and was reflective of tissue destruction. Overexpression of PAR2 was positively associated with inflammatory clinical parameters and with the levels of interleukin-6 (IL-6), IL-8, tumor necrosis factor alpha, matrix metalloprotease 2 (MMP-2), MMP-8, hepatocyte growth factor, and vascular endothelial growth factor. Elevated levels of gingipain and P3 and decreased levels of dentilisin and the protease inhibitors secretory leukocyte protease inhibitor and elafin were also associated with PAR2 overexpression. Healthy periodontal sites from individuals with chronic periodontitis showed diminished expression of PAR2 mRNA and the PAR2 protein (P < 0.05). Furthermore, periodontal treatment resulted in decreased PAR2 expression and correlated with decreased expression of inflammatory mediators and activating proteases. We concluded that periodontal treatment resulted in decreased levels of proteases and that proinflammatory mediators are associated with decreased PAR2 expression, suggesting that PAR2 expression is influenced by the presence of periodontal infection and is not a constitutive characteristic favoring periodontal inflammation.

Characterization of the Staphylococcus aureus bone sialoprotein-binding protein SdrE and the serine protease EpiP

In an attempt to develop a Staphylococcus aureus vaccine, we have applied reverse vaccinology approach, mainly based on in silico screening and proteomics. By using this approach SdrE, a protein belonging to serine-aspartate repeat protein family was identified as potential vaccine antigen against S. aureus. We have investigated the biochemical properties as well as the vaccine potential of SdrE and its highly conserved CnaBE3 domain. We found the protein SdrE to be resistant to trypsin. Further analysis of the resistant fragment revealed that it comprises a CnaBE3 domain, which also showed partial trypsin resistant behavior. Furthermore, intact mass spectrometry of rCnaBE3 suggested the possible presence of isopeptide bond or some other post-translational modification in the protein.However, this observation needs further investigation. Differential Scanning Fluorimetry study reveals that calcium play role in protein folding and provides stability to SdrE. At the end we have demonstrated that SdrE is immunogenic against clinical strain of S. aureus in murine abscess model. In the second part, I characterized a protein, annotated as epidermin leader peptide processing serine protease (EpiP), as a novel S. aureus vaccine candidate. The crystal structure of the rEpiP was solved at 2.05 Å resolution by x-ray crystallography . The structure showed that rEpiP was cleaved somewhere between residues 95 and 100 and cleavage occurs through an autocatalytic intra-molecular mechanism. In addition, the protein expressed by S. aureus cells also appeared to undergo a similar processing event. To determine if the protein acts as a serine protease, we mutated the catalytic serine 393 residue to alanine, generating rEpiP-S393A and solved its crystal structure at a resolution of 1.95 Å. rEpiP-S393A was impaired in its protease activity, as expected. Protective efficacy of rEpiP and the non-cleaving mutant protein was comparable, implying that the two forms are interchangeable for vaccination purposes.

Synthese von selektiv Protease-spaltbaren Nanopartikeln

Diese Arbeit legt, im Rahmen eines interdisziplinären BMBF Projekts, die Grundlage für eine neue, potentielle Früherkennungsmethode für Prostatakrebs. Ausgehend von der Idee, einen sensitiv detektierbaren Farbstoff in selektiv, Hepsin-spaltbare Kapseln einzubringen, wurde ein Modellsystem erarbeitet. Als Zielsubstrat für das Enzym Hepsin wurde die Sequenz RQLRVVGG identifiziert. Basierend auf dem hier entwickelten Modell, könnte in Zukunft eine Detektion von Hepsin und damit von Prostatakrebs im Frühstadium in vivo erfolgen. rnUm das Konzept der Enzymspaltbarkeit zu zeigen,wurden, basierend auf einem Modell,enzymatisch-spaltbare, polymere Nanopartikeldargestellt. In dieser Arbeit konnte die Synthese von vier Generationen spezifisch Protease-spaltbarer, hydrophober Nanopartikel gezeigt werden. Die Enzyme Pepsin und Trypsin, die selektiv die Peptidsequenz GFF spalten, wurden als Modellenzyme für das im Prostatakarzinom überexprimierte Hepsin eingesetzt. rnrnAls Ausgangspolymer diente Poly(styrol-co-acrylsäure), das in freier, radikalischer Polymerisation hergestellt und mit Molekulargewichten zwischen 8500 und 49400 g/mol erhalten wurde. Der Funktionalisierungsgrad wurde zwischen 5 und 16%-Gew. variiert. Die Charakterisierung erfolgte mittels GPC und NMR-Spektroskopie. In einer polymeranalogen Reaktion wurden die Säurefunktionen zu Aminogruppen umgesetzt. Die resultierendenPolymere wurden unter Einsatz der über Jahrzehnte entwickelten, effektiven Peptidkupplungschemie mit enzymspaltbarenPeptiden gekuppelt, um dadurch definierte Peptid-Polymer-Konjugate zu erhalten.Als enzymatisch spaltbarer Teil des Konjugats, wurden mithilfe der Festphasenpeptidsynthese (SPPS),FRET(Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer)-markiertePeptide synthetisiert, die auf der Trypsin-spaltbaren Sequenz GFF basierten. Zum Nachweis der Vernetzung der späteren Nanopartikel, wurde zusätzlich einern15N-markierte Aminosäure (Fmoc-(15N)-Glycin) am N-Terminus der Peptide eingebaut, um die Reaktion des Amins zu einem Amid verfolgen zu können.Die Charakterisierung der Peptide erfolgte mittels1H-, 13C-NMR-Spektroskopie, MALDI TOF-MS und HPLC. Aus den Polymeren und dem Peptid wurden Peptid-Polymer-Konjugate hergestellt und die erfolgreiche Anbindung mittels DOSY-NMR-Spektroskopie und HPLC nachgewiesen. Aus den Konjugaten konnten im nächsten Schritt, durch Anwendung des inversen Miniemulsionsprozesses, Nanopartikel formuliertund diese in wässriges Milieu überführt werden. Die Dispersionen konnten mittels PCCS, REM und Zetapotentialmessungen charakterisiert werden, wobei Partikeldurchmesser um 230 nm resultierten. Der Nachweis der Vernetzung des Polymers in den Partikeln konnte durch die Reaktion desrn15N-Amins zu einem 15N-Amid mittels 15N-Festkörper-NMR-Spektroskopie nachverfolgt werden. Abschließend konnten die Partikel durch Trypsin gespalten werden, was durch das eingebaute FRET-Paar über eine in situ Detektion der relativen Fluoreszenz erfolgte. rnIn dieser Arbeit konnten Peptid-vernetzte, Polystyrol basierte Nanopartikel hergestellt und in Heterophase von Trypsin gespalten werden.rn

Synthese, Charakterisierung und Testung von Phenylacrylsäure-Derivaten, Benzothiazolen und Diarylthioethern als potentielle Inhibitoren der Dengue-Virus-Typ-2-NS2B-NS3-Protease

Dengue-Fieber ist eine durch Stechmücken der Gattungen Aedes aegypti und Aedes albopticus übertragene, virale Infektionskrankheit des Menschen, welche eine zunehmende Bedrohung für die Weltbevölkerung darstellt; das Infektionsrisiko betrifft vorwiegend Menschen, die in tropischen und subtropischen Gebieten der Erde (Asien, Afrika, Amerika) leben. Bei dem Erreger handelt es sich um ein Flavivirus, bestehend aus einer positiv polarisierten Einzelstrang-RNA, welches in vier verschiedenen Serotypen existiert. Eine Infektion mit Dengue-Viren zeigt sich durch drei mögliche Krankheitsbilder: Klassisches Dengue-Fieber (DF), hämorrhagisches Dengue-Fieber (DHF) oder Dengue-Schock-Syndrom (DSS). Das Dengue-Virus-Genom codiert eine Serin-Protease mit einer klassischen katalytischen Triade, bestehend aus den Aminosäuren His51, Asp75 und Ser135. Die Funktion der Dengue-Virus-Protease besteht in der post-translationalen, proteolytischen Prozessierung des viralen Polyprotein-Vorläufers, womit sie essentiell für die Virus-Replikation ist und damit einen wichtigen therapeutischen Ansatz für die Entwicklung neuer Wirkstoffe gegen Dengue-Fieber darstellt. Die Ziele der vorliegenden Arbeit bestanden darin, neue potentielle Inhibitoren der Dengue-Virus Typ 2 NS2B-NS3 Protease (DEN-2 NS2B-NS3pro) zu synthetisieren, deren Hemmwirkung sowie den Inhibitionstyp mithilfe fluorimetrischer Enzym-Assays zu bestimmen, Struktur-Wirkungs-Beziehungen (u.a. mithilfe von Molecular Docking-Rechnungen) zu analysieren und die erhaltenen Leitstrukturen zu optimieren. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Substanzklassen und damit zwei Teilprojekte behandelt: Phenylacrylsäureamide im ersten Teilprojekt, Benzothiazole und Diarylthioether zusammen im zweiten Teilprojekt. Im ersten Teilprojekt zeigten einige Phenylacrylsäureamide eine schwache Hemmung der DEN-2 NS2B-NS3pro zwischen ca. 50 und 61 % bei einer Inhibitorkonzentration von 50 µM sowie eine nicht-kompetitive Hemmung, welche jedoch durch vielfältige Derivatisierung kaum verändert oder verbessert werden konnte. Darüber hinaus wurden die endogenen Serin-Proteasen alpha-Chymotrypsin und Trypsin durch einige Phenylacrylsäureamide erheblich stärker gehemmt als die DEN-2 NS2B-NS3pro. Das zweite Teilprojekt befasste sich mit der Synthese und Testung von Diarylthioethern mit hydroxy-substituierten Benzothiazol-Bausteinen sowie der Testung einiger methoxy-substituierter Synthese-Vorstufen der Endverbindungen, um die Relevanz und den Einfluss der einzelnen Bausteine auf die Hemmung der DEN-2 NS2B-NS3pro zu untersuchen. Der in der vorliegenden Arbeit synthetisierte, potenteste Inhibitor der DEN-2 NS2B-NS3pro (Hemmung: 90 % [50 µM]; IC50 = 3.6 +/- 0.11 µM) und der DEN-3 NS2B-NS3pro (Hemmung: &amp;gt;99 % [100 µM]; IC50 = 9.1 +/- 1.02 µM), SH65, ein Diarylthioether-Benzothiazol-Derivat, entstand aufgrund der Vorhersage zweier möglicher Bindungsmodi (kompetitiv und nicht-kompetitiv) mithilfe von Molecular Docking-Experimenten an der Röntgen-Kristall-struktur der DEN-3 NS2B-NS3pro (PDB-Code: 3U1I). Nach experimenteller Bestimmung der IC50-Werte bei unterschiedlichen Substratkonzentrationen erwies sich SH65 jedoch als nicht-kompetitiver Inhibitor der DEN-2 NS2B-NS3pro. Trypsin wurde von SH65 vergleichbar stark gehemmt (96% [50 µM]; IC50 = 6.27 +/- 0.68 µM) wie die beiden getesteten Dengue-Virus-Proteasen, nicht jedoch alpha-Chymotrypsin (nur 21% Hemmung bei 50 µM), wodurch diesem Inhibitor zumindest eine relative Selektivität gegenüber Serin-Proteasen zugeschrieben werden kann. SH65 zeigte lediglich Protease-Hemmung in den Enzym-Assays, jedoch keine antivirale Aktivität bei der Testung an Dengue-Virus-infizierten Zellen, was aber wiederum bei der synthetisierten Vorstufe von SH65, welche anstelle der beiden Hydroxy-Gruppen über Methoxy-Gruppen verfügt, der Fall war. Diarylthioether mit mehrfach hydroxy-substituiertem Benzothiazol-Baustein stellen hiermit eine neue, vielversprechende Wirkstoffgruppe zur Hemmung sowohl der Dengue-Virus Typ 2- als auch der Dengue-Virus Typ 3 NS2B-NS3 Protease dar.

Neue wasserlösliche Cystein-Protease-Inhibitoren mit Aziridin-2,3-dicarbonsäure-Baustein

Die Leishmaniose gehört zu den „vernachlässigten tropischen Erkrankungen“. Sie wird durch parasitäre Protozoen der Gattung Leishmania ausgelöst. Weltweit sind ca. 12 Mio. Menschen infiziert, ca. 70 Tausend erliegen ihr jährlich. Die aktuelle Therapie wird überschattet von Toxizitäts- und Teratogenitätsproblemen und von aufkommenden Resistenzen. Die von den Leishmanien exprimierten Cysteinproteasen spielen vielfältige Rollen bei Wachstum und Vermehrung der Erreger. Aufgrund der evolutionären Verwandtschaft der Enzyme sind die parasitären Cysteinproteasen strukturell den humanen sehr ähnlich. Die Herausforderung bei der Entwicklung antiparasitärer Wirkstoffe, basierend auf der Hemmung dieser Proteasen, besteht deshalb darin, sehr selektive Inhibitoren zu entwickeln, die die Wirtsproteasen nicht, oder nur in einem vertretbaren Rahmen, inhibieren. Das Ziel dieser Arbeit war die Weiterentwicklung der Aziridin-2,3-dicarbonsäure-basierten Cysteinproteaseinhibitoren RV122C bzw. CS09 hinsichtlich Selektivität und Aktivität gegenüber der parasitären Cathepsin-L-ähnlichen Cystein-Protease LmCPB2.8 durch Design, incl. Docking, Synthese und Testung. Neben der gezielten Variation nicht essenzieller Gruppen wurde molekulares Docking mittels AutoDock Vina an Cruzain als verwandtes Modellenzym durchgeführt, um durch Variationen K.O.-Kandidaten für die Differenzierung zwischen zwei postulierten Bindungsmodi zu finden. Die Ergebnisse der Enzymassays zeigen eine Verbesserung der Hemmeigenschaften bei gleichzeitig verbesserter Selektivität sowie erhöhter ligand efficiency und ligand lipophilic efficiency für Derivate mit sterisch anspruchsvolleren Ester-Resten und für Derivate mit einer freien Carbonsäurefunktion am Aziridin-Ring (Halbester).

Funktionelle Analyse der onkologisch relevanten Protease Threonin-Aspartase 1

Krebs stellt eine der häufigsten Todesursachen in Europa dar. Grundlage für eine langfristige Verbesserung des Behandlungserfolgs ist ein molekulares Verständnis der Mechanismen, welche zur Krankheitsentstehung beitragen. In diesem Zusammenhang spielen Proteasen nicht nur eine wichtige Rolle, sondern stellen auch bei vielerlei Erkrankungen bereits anerkannte Zielstrukturen derzeitiger Behandlungsstrategien dar. Die Protease Threonin Aspartase 1 (Taspase1) spielt eine entscheidende Rolle bei der Aktivierung von Mixed Lineage Leukemia (MLL)-Fusionsproteinen und somit bei der Entstehung aggressiver Leukämien. Aktuelle Arbeiten unterstreichen zudem die onkologische Relevanz von Taspase1 auch für solide Tumore. Die Kenntnisse über die molekularen Mechanismen und Signalnetzwerke, welche für die (patho)biologischen Funktionen von Taspase1 verantwortlich sind, stellen sich allerdings noch immer als bruchstückhaft dar. Um diese bestehenden Wissenslücken zu schließen, sollten im Rahmen der Arbeit neue Strategien zur Inhibition von Taspase1 erarbeitet und bewertet werden. Zusätzlich sollten neue Einsichten in evolutionären Funktionsmechanismen sowie eine weitergehende Feinregulation von Taspase1 erlangt werden. Zum einen erlaubte die Etablierung und Anwendung eines zellbasierten Taspase1-Testsystem, chemische Verbindungen auf deren inhibitorische Aktivität zu testen. Überraschenderweise belegten solch zelluläre Analysen in Kombination mit in silico-Modellierungen eindeutig, dass ein in der Literatur postulierter Inhibitor in lebenden Tumorzellen keine spezifische Wirksamkeit gegenüber Taspase1 zeigte. Als mögliche Alternative wurden darüber hinaus Ansätze zur genetischen Inhibition evaluiert. Obwohl publizierte Studien Taspase1 als ααββ-Heterodimer beschreiben, konnte durch Überexpression katalytisch inaktiver Mutanten kein trans-dominant negativer Effekt und damit auch keine Inhibition des wildtypischen Enzyms beobachtet werden. Weiterführende zellbiologische und biochemische Analysen belegten erstmalig, dass Taspase1 in lebenden Zellen in der Tat hauptsächlich als Monomer und nicht als Dimer vorliegt. Die Identifizierung evolutionär konservierter bzw. divergenter Funktionsmechanismen lieferte bereits in der Vergangenheit wichtige Hinweise zur Inhibition verschiedenster krebsrelevanter Proteine. Da in Drosophila melanogaster die Existenz und funktionelle Konservierung eines Taspase1-Homologs postuliert wurde, wurde in einem weiteren Teil der vorliegenden Arbeit die evolutionäre Entwicklung der Drosophila Taspase1 (dTaspase1) untersucht. Obwohl Taspase1 als eine evolutionär stark konservierte Protease gilt, konnten wichtige Unterschiede zwischen beiden Orthologen festgestellt werden. Neben einem konservierten autokatalytischen Aktivierungsmechanismus besitzt dTaspase1 verglichen mit dem humanen Enzym eine flexiblere Substraterkennungs-sequenz, was zu einer Vergrößerung des Drosophila-spezifischen Degradoms führt. Diese Ergebnisse zeigen des Weiteren, dass zur Definition und Vorhersage des Degradoms nicht nur proteomische sondern auch zellbiologische und bioinformatische Untersuchungen geeignet und notwendig sind. Interessanterweise ist die differentielle Regulation der dTaspase1-Aktivität zudem auf eine veränderte intrazelluläre Lokalisation zurückzuführen. Das Fehlen von in Vertebraten hochkonservierten aktiven Kernimport- und nukleolären Lokalisationssignalen erklärt, weshalb dTaspase1 weniger effizient nukleäre Substrate prozessiert. Somit scheint die für die humane Taspase1 beschriebene Regulation von Lokalisation und Aktivität über eine Importin-α/NPM1-Achse erst im Laufe der Entwicklung der Vertebraten entstanden zu sein. Es konnte also ein bislang unbekanntes evolutionäres Prinzip identifiziert werden, über welches eine Protease einen Transport- bzw. Lokalisations-basierten Mechanismus zur Feinregulation ihrer Aktivität „von der Fliege zum Menschen“ nutzt. Eine weitere Möglichkeit zur dynamischen Funktionsmodulation bieten post-translationale Modifikationen (PTMs) der Proteinsequenz, zu welcher Phosphorylierung und Acetylierung zählen. Interessanterweise konnte für die humane Taspase1 über den Einsatz unabhängiger Methoden einschließlich massenspektrometrischer Analysen eine Acetylierung durch verschiedene Histon-Acetyltransferasen (HATs) nachgewiesen werden. Diese Modifikation erfolgt reversibel, wobei vor allem die Histon-Deacetylase HDAC1 durch Interaktion mit Taspase1 die Deacetylierung der Protease katalysiert. Während Taspase1 in ihrer aktiven Konformation acetyliert vorliegt, kommt es nach Deacetylierung zu einer Reduktion ihrer enzymatischen Aktivität. Somit scheint die Modulation der Taspase1-Aktivität nicht allein über intra-proteolytische Autoaktivierung, Transport- und Interaktionsmechanismen, sondern zudem durch post-translationale Modifikationen gesteuert zu werden. Zusammenfassend konnten im Rahmen dieser Arbeit entscheidende neue Einblicke in die (patho)biologische Funktion und Feinregulation der Taspase1 gewonnen werden. Diese Ergebnisse stellen nicht nur einen wichtigen Schritt in Richtung eines verbesserten Verständnis der „Taspase1-Biologie“, sondern auch zur erfolgreichen Inhibition und Bewertung der krebsrelevanten Funktion dieser Protease dar.