In-vitro synthesis and reconstitution of cytochrome bo 3 ubiquinol oxidase in artificial membranes

Forschung über Membranenproteine stellt strenge Hindernisse, seit ruhigem gerade wenige Beispiele der Membranenproteinsorten sind gekennzeichnet worden in den verwendbaren experimentellen Plattformen gegenüber. Die Hauptherausforderung ist, ihre ausgezeichnete entworfene strukturelle Vollständigkeit zu konservieren, während die Ausdruck-, Lokalisierungs- und Wiederherstellungprozesse auftreten. In-vitro übersetzungssysteme können Vorteile über auf Zellenbasisgenausdruck zum Beispiel haben, wenn das über-ausgedrückte Produkt zur Wirtszelle giftig ist oder wenn fehlende Pfosten-Übersetzungsänderung in den bakteriellen Ausdrucksystemen die Funktionalität der Säugetier- Proteine oder Mangel an vorhandenem Membranenraum verdirbt, Funktionsausdruck verbieten.rn Der Nachahmer von biologische Membranen wie feste gestützte Lipidmembranen sind als Plattform am meisten benutzt, Proteinmembraneninteraktionen nachzuforschen. Wir sind in der Lage, Membranenproteinsorte, da wir eine Plattform für Membranenproteinsynthese vorstellen, nämlich die in-vitrosynthese der Membranenproteine in ein Peptid gestütztes Membranensystem zu adressieren. Die Wiederherstellung der Membranenproteine in den Lipid bilayers resultiert im Allgemeinen mit verschiedenen Proteinanpassungen. Als Alternative erforschen wir dieses System zum ersten Mal, um genaueres Modell zu den zellularen Membranen zu verursachen und ihre Funktion, wie Proteineinfügung, Proteinfunktion und Ligandinteraktionen nachzuahmen.rn In dieser Arbeit ist unser Ziel, komplizierte Transmembraneproteine, wie des Cytochrome bo3-ubiquinol Oxydase (Cyt-bo3) direkt innerhalb der biomimetic vorbildlichen Membrane zu synthetisieren. In unserem System wird festes gestütztes tBLM wie, P19/DMPE/PC als Plattform benutzt. Dieses künstliche Membranensystem mimiks die amphiphile Architektur eines Zelle-abgeleiteten Membranensystems.rn

Einfluss der Phosphorylierung durch die Casein Kinase II auf den HSP90-Chaperone-Zyklus in humanen Zellen

In der vorliegenden Arbeit wurde eine Analysenmethode auf Basis der Massenbestimmung über Elektrospray-Ionisation qualifiziert, mit der es möglich ist, den Gehalt beider in humanen Zellen vorliegenden isoformen Chaperone HSP90-alpha und HSP90-beta sowie deren Phosphorylierungsstatus in der sog. „charged linker“-Region (CLR) getrennt voneinander zu bestimmen. Die Quantifizierung dieser posttranslationalen Modifikation von HSP90 in der noch wenig untersuchten Region des Chaperons stellte eine besondere Herausforderung an das analytische Messsystem dar, da diese sich fast ausschließlich aus geladenen Aminosäuren zusammensetzt und eine hohe Sequenzhomologie der beiden Isoformen in humanen Zellen vorliegt. Mit dieser Methode ist es gelungen, sowohl die stärkere Expression beider Isoformen in Tumor-Zelllinien im Vergleich zu Nicht-Tumor-Zelllinien als auch signifikant höhere Level beider phosphorylierten Varianten in den Tumor-Zelllinien nachzuweisen. Des Weiteren konnte durch gezielte Arretierung der Tumor-Zelllinie HCT116 in der G0/G1-Phase des Zellzyklus der Nachweis erbracht werden, dass nur HSP90-alpha in diesem Ruhestadium der Zellteilung in der phosphorylierten Form vorliegt. rnDa die Phosphorylierung der CLR von HSP90 als ein Marker für die Substrataktivierung herangezogen werden kann, besteht jetzt die Möglichkeit, Auswirkungen von z. B. HSP90-Inhibitoren auf beide HSP90-Isoformen hinsichtlich ihrer Expression und Phosphorylierung durch die Casein Kinase II (CK II) im zellulären Umfeld zu testen.rnIn-vitro konnte die Phosphorylierung der CLR von HSP90-alpha und -beta mit der CK II an den rekombinant hergestellten Proteinen nachgestellt werden. Dieses typische Phosphorylierungs-Motiv (S-X-X-E/D) findet man bei sehr vielen Co-Chaperonen wie auch bei der Prostaglandin E Synthase p23, das ebenfalls durch eine in-vitro Kinase-Reaktion mit der CK II an drei Positionen phosphoryliert wurde. Durch ein Binde-Assay zeigte sich, dass p23 nur in dieser modifizierten Form an HSP90-alpha bindet. Das Bindeverhalten von p23 an die beta-Isoform wird durch diese Phosphorylierung jedoch nicht beeinflusst. Diese Erkenntnisse erweitern das Verständnis des bis dato beschriebenen Chaperon-Zyklus von HSP90 und zeigen deutliche Unterschiede in den Aktivierungszyklen beider Isoformen auf. Da die Casein Kinase II hier entscheidend in den durch HSP90 vermittelten Aktivierungsprozess eingreift, eröffnet sich ein weites Feld an Möglichkeiten, diese Prozesse an weiteren Co-Chaperonen und Substratproteinen zu studieren.rn

Mechanistic study of cell death induction by O 6-methylating agents, focusing on the role of homologous recombination as a molecular target for sensitization of tumor cells to chemotherapeutic alkylating agents

Chemotherapeutic SN1‑methylating agents are important anticancer drugs. They induce several covalent modifications in the DNA, from which O6‑methylguanine (O6MeG) is the main toxic lesion. In this work, different hypotheses that have been proposed to explain the mechanism of O6MeG‑triggered cell death were tested. The results of this work support the abortive processing model, which states that abortive post‑replicative processing of O6MeG‑driven mispairs by the DNA mismatch repair (MMR) machinery results in single‑strand gaps in the DNA that, upon a 2nd round of DNA replication, leads to DNA double‑strand break (DSB) formation, checkpoint activation and cell death. In this work, it was shown that O6MeG induces an accumulation of cells in the 2nd G2/M‑phase after treatment. This was accompanied by an increase in DSB formation in the 2nd S/G2/M‑phase, and paralleled by activation of the checkpoint kinases ATR and CHK1. Apoptosis was activated in the 2nd cell cycle. A portion of cells continue proliferating past the 2nd cell cycle, and triggers apoptosis in the subsequent generations. An extension to the original model is proposed, where the persistence of O6MeG in the DNA causes new abortive MMR processing in the 2nd and subsequent generations, where new DSB are produced triggering cell death. Interestingly, removal of O6MeG beyond the 2nd generation lead to a significant, but not complete, reduction in apoptosis, pointing to the involvement of additional mechanisms as a cause of apoptosis. We therefore propose that an increase in genomic instability resulting from accumulation of mis‑repaired DNA damage plays a role in cell death induction. Given the central role of DSB formation in toxicity triggered by chemotherapeutic SN1‑alkylating agents, it was aimed in the second part of this thesis to determine whether inhibition of DSB repair by homologous recombination (HR) or non‑homologous end joining (NHEJ) is a reasonable strategy for sensitizing glioblastoma cells to these agents. The results of this work show that HR down‑regulation in glioblastoma cells impairs the repair of temozolomide (TMZ)‑induced DSB. HR down‑regulation greatly sensitizes cells to cell death following O6‑methylating (TMZ) or O6‑chlorethylating (nimustine) treatment, but not following ionizing radiation. The RNAi mediated inhibition in DSB repair and chemo‑sensitization was proportional to the knockdown of the HR protein RAD51. Chemo‑sensitization was demonstrated for several HR proteins, in glioma cell lines proficient and mutated in p53. Evidence is provided showing that O6MeG is the primary lesion responsible for the increased sensitivity of glioblastoma cells following TMZ treatment, and that inhibition of the resistance marker MGMT restores the chemo‑sensitization achieved by HR down‑regulation. Data are also provided to show that inhibition of DNA‑PK dependent NHEJ does not significantly sensitized glioblastoma cells to TMZ treatment. Finally, the data also show that PARP inhibition with olaparib additionally sensitized HR down‑regulated glioma cells to TMZ. Collectively, the data show that processing of O6MeG through two rounds of DNA replication is required for DSB formation, checkpoint activation and apoptosis induction, and that O6MeG‑triggered apoptosis is also executed in subsequent generations. Furthermore, the data provide proof of principle evidence that down‑regulation of HR is a reasonable strategy for sensitizing glioma cells to killing by O6‑alkylating chemotherapeutics.

The relevance of the silica metabolizing enzyme silicatein-alpha to biomineralization and the formation of biogenic silica in siliceous sponges

Die technische Silikatproduktion erfordert in der Regel hohe Temperaturen und extreme pH-Werte. In der Natur hingegen haben insbesondere Kieselschwämme die außergewöhnliche Fähigkeit, ihr Silikatskelett, das aus einzelnen sogenannten Spiculae besteht, enzymatisch mittels des Proteins Silicatein zu synthetisieren. rnIm Inneren der Spiculae, im zentralen Kanal, befindet sich das Axialfilament, welches hauptsächlich aus Silicatein-α aufgebaut ist. Mittels Antikörperfärbungen und Elektronenmikroskopischen Analysen konnte festgestellt werden, dass Silicatein in mit Kieselsäure-gefüllten Zellorganellen (silicasomes) nachzuweisen ist. Mittels dieser Vakuolen kann das Enzym und die Kieselsäure aus der Zelle zu den Spiculae im extrazellulären Raum befördert werden, wo diese ihre endgültige Länge und Dicke erreichen. Zum ersten Mal konnte nachgewiesen werden, dass rekombinant hergestelltes Silicatein-α sowohl als Siliciumdioxid-Polymerase als auch Siliciumdioxid-Esterase wirkt. Mittels Massenspektroskopie konnte die enzymatische Polymerisation von Kieselsäure nachverfolgt werden. Durch Spaltung der Esterbindung des künstlichen Substrates Bis(p-aminophenoxy)-dimethylsilan war es möglich kinetische Parameter der Siliciumdioxid-Esterase-Aktivität des rekombinanten Silicateins zu ermitteln.rnZu den größten biogenen Silikatstukuren auf der Erde gehören die Kieselnadeln der Schwammklasse Hexactinellida. Nadelextrakte aus den Schwammklassen Demospongien (S. domuncula) und Hexactinellida (M. chuni) wurden miteinander verglichen um die potentielle Existenz von Silicatein oder Silicatein-ähnliche Molekülen und die dazu gehörige proteolytischen Aktivität nachzuweisen. Biochemische Analysen zeigten, dass das 27 kDA große isolierte Polypeptid in Monoraphis mehrere gemeinsame Merkmale mit den Silicateinen der Demospongien teilt. Dazu gehören die Größe und die Proteinase-Aktivität. rnUm die Frage zu klären, ob das axiale Filament selbst zur Formbildung der Skelettelemente beiträgt, wurde ein neues mildes Extraktionsverfahren eingeführt. Dieses Verfahren ermöglichte die Solubilisierung des nativen Silicateins aus den Spiculae. Die isolierten Silicateine lagen als Monomere (24 kDa) vor, die Dimere durch nicht-kovalente Bindungen ausbildeten. Darüber hinaus konnten durch PAGE-Gelelektrophorese Tetramere (95 kDa) und Hexamere (135 kDa) nachgewiesen werden. Die Monomere zeigten eine beträchtliche proteolytische Aktivität, die sich während der Polymerisationsphase des Proteins weiter erhöhte. Mit Hilfe der Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie (TEM) konnte die Assemblierung der Proteine zu filamentartigen Strukturen gezeigt werden. Die Selbstorganisation der Silicatein-α-Monomeren scheint eine Basis für Form- und Musterbildung der wachsenden Nadeln zu bilden.rn Um die Rolle des kürzlich entdeckten Proteins Silintaphin-1, ein starker Interaktionspartner des Silicatein-α, während der Biosilifizierung zu klären, wurden Assemblierungs-Experimente mit den rekombinanten Proteinen in vitro durchgeführt. Zusätzlich wurde deren Effekt auf die Biosilikatsynthese untersucht. Elektronenmikroskopische Analysen ergaben, dass rekombinantes Silicatein-α zufällig verteilte Aggregate bildet, während die Koinkubation beider Proteine (molekulares Verhältnis 4:1) über fraktal artige Strukturen zu Filamenten führt. Auch die enzymatische Aktivität der Silicatein-α-vermittelte Biosilikatsynthese erhöhte sich in Gegenwart von Silintaphin-1 um das 5,3-fache. rn

Die Bedeutung von KSRP für die pro-inflammatorische Genexpression in Autoimmunerkrankungen - Einfluss des Naturstoffes Resveratrol auf KSRP-vermittelte Regulationsmechanismen

Die Pathogenese chronisch inflammatorischer Erkrankungen ist von einer Dysregulation der pro-inflammatorischen Genexpression geprägt. Dieser liegen wahrscheinlich pathologische Veränderungen der Aktivität von verschiedenen Transkriptionsfaktoren und RNA-bindenden Proteinen zugrunde. In dieser Arbeit konnte die Regulation der KSRP-Expression in einem murinen Modell der rheumatoiden Arthritis (RA) nachgewiesen werden. In humanen Chondrozyten führte eine erhöhte KSRP-Expression zu einer Reduktion der Expression von bekannten KSRP-Zielgenen. Der Vergleich von verschiedenden Microarray-Analysen aus den verwendeten humanen und murinen Modellen der RA führte zur Identifikation von pro-inflammatorischen und pro-angiogenetischen Faktoren (SPARC, MMP2, MMP3, PLA2G2D, GZMA, HPSE, TNMD und IL-18-R), die in der RA eine Rolle spielen und höchstwahrscheinlich durch eine erhöhte KSRP-Expression reguliert werden. Daher könnte eine Modulation der KSRP-Expression bei der Therapie von Autoimmunerkrankungen von Bedeutung sein. In diesem Zusammenhang ist die Detektion der Bindung des cardioprotektiven und anti-inflammatorisch wirkenden Naturstoffs Resveratrol an KSRP zu nennen. Diese spezifische Interaktion führte zu einer Reduktion der p38-MAPK-vermittelten Thr-Phosphorylierung des KSRP-Proteins (in situ und in vivo), was eine Aktivierung der KSRP-vermittelten Mechanismen zur Folge hatte. Somit konnte in situ die mRNA-Stabilität der iNOS reduziert und die miR-155-Expression erhöht werden. Im murinen Atherosklerosemodell führte die Behandlung mit Resveratrol zu einer verringerten Expression bekannter KSRP-Ziel-mRNAs. rnNeben diesem post-translationalen Regulationsmechanismus von KSRP durch Resveratrol konnte die Modulation der KSRP-Expression auf transkriptioneller Ebene durch KSRP selbst gezeigt werden. Dies geschieht möglicherweise über die Bindung von KSRP an das FUSE-analoge Element innerhalb des KSRP-Promotors, welches eine positive Autoregulation der KSRP-Expression bewirkt. Bei der Analyse der post-transkriptionellen Regulation der KSRP-Expression interagierten die mRNA-bindenden Proteine HuR, PABP und die AUF-1-Isoformen p40, p42 und p45 in vitro mit der KSRP-3’UTR. Dabei konnte in Expressionsanalysen nachgewiesen werden, dass die KSRP-mRNA durch PABP positiv und durch p42 negativ reguliert wird.rnZusammenfassend ist zu sagen, dass die KSRP-Expression neben post-translationalen Mechanismen auch auf transkriptioneller und post-transkriptioneller Ebene moduliert wird. Zusätzlich wurde eine Regulation der KSRP-Expression innerhalb entzündlicher Erkrankungen nachgewiesen, die Bedeutung dieser Modulation für die pro-inflammatorischen Genexpression diskutiert und ein möglicher therapeutischer Angriffspunkt durch Resveratrol identifiziert.

Die regulatorische Funktion des Usher-Syndrom-Proteins SANS in Proteinnetzwerken

Die vorliegende kumulative Arbeit umfasst Analysen zur Aufklärung der molekularen Grundlagen des humanen Usher-Syndroms (USH), der häufigsten Ursache kombinierter vererblicher Taub-Blindheit. Ziel dieser Arbeit war es, neue Erkenntnisse zur Funktion der USH-Proteine und den von ihnen organisierten Protein-Netzwerken in der Photorezeptorzelle zu erhalten. Dadurch sollten weitere Einsichten in die molekularen Ursachen des retinalen Phänotyps von USH gewonnen werden. Die Ergebnisse dieser Analysen wurden in einem Übersichtsartikel (I) und zwei Originalarbeiten (II, III) zusammengestellt.rn Im Übersichtsartikel (I) wurden die vorliegenden Hinweise zusammengefasst, die USH auf Grundlage der molekularen Verbindungen ebenfalls als Ciliopathien definiert. Zudem wird die Bedeutung des periciliären USH-Proteinnetzwerkes für das sensorische Cilium (Außensegment) der Photorezeptorzelle herausgestellt. rn In Publikation II wurde der Aufbau des USH1-USH2-Proteinnetzwerkes als Teil des periciliären Komplexes analysiert, der beim cargo handover von vesikulärer Fracht vom Innensegment- auf den ciliären Transport für die Photorezeptorzelle essentiell ist. Experimentell wurde Ush2a als neuer SANS-Interaktionspartner validiert. Des Weiteren wurde ein ternärer Komplex aus den USH-Proteinen SANS, Ush2a und Whirlin identifiziert, dessen Zusammensetzung durch die phosphorylierungsabhängige Interaktion zwischen SANS und Ush2a reguliert werden könnte. Dieser ternäre Komplex kann sowohl der Integrität der Zielmembran dienen als auch am Transfer von Molekülen ins Außensegment beteiligt sein.rn In Publikation III wurde das MAGUK-Protein Magi2 als neuer Interaktionspartner von SANS identifiziert und die Interaktion durch komplementäre Interaktionsassays validiert. Dabei wurde ein internes PDZ-Binde-Motiv in der SAM-Domäne von SANS identifiziert, das die Interaktion zur PDZ5-Domäne von Magi2 phosphorylierungsabhängig vermittelt. Dadurch wurde bestätigt, dass SANS durch post-translationale Modifizierung reguliert wird. Weiterführende Experimente zur Funktion des Magi2-SANS-Komplexes zeigen, dass Magi2 an Prozess der Rezeptor-vermittelten Endocytose beteiligt ist. Die Phosphorylierung von SANS durch die Kinase CK2 spielt bei der Endocytose ebenfalls eine wichtige Rolle. Der Phosphorylierungsstatus von SANS moduliert die Interaktion zu Magi2 und reguliert dadurch negativ den Prozess der Endocytose. In RNAi-Studien wurde die durch Magi2-vermittelte Endocytose darüber hinaus mit dem Prozess der Ciliogenese verknüpft. Die Analyse der subzellulären Verteilung der Interaktionspartner lokalisieren Magi2 im periciliären Komplex und assoziieren das periciliäre USH-Proteinnetzwerk dadurch mit dem Prozess der Endocytose in der ciliary pocket. Der SANS-Magi2-Komplex sollte demnach für Aufbau und Funktion des sensorischen Ciliums der Photorezeptorzelle eine wichtige Rolle spielen.rn Die Gesamtheit an Informationen, die aus den Publikationen dieser Dissertation und aus den Kooperationsprojekten (*) resultieren, haben die Kenntnisse zur zellulären Funktion der USH-Proteine und ihrer Interaktionspartner und damit über die pathogenen Mechanismen von USH erweitert. Dies bildet die Basis, um fundierte Therapiestrategien zu entwickeln.

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.

Ubiquitylation and SUMOylation of Cardiac Ion Channels

Cardiac ion channels play an essential role in the generation of the action potential of cardiomyocytes. Over the past 15 years, a new field of research called channelopathies has emerged; it regroups all diseases caused by ion channel dysfunction. Investigators have largely determined the physiological roles of cardiac ion channels, but little is known about the molecular determinants of their regulation. Two post-translational mechanisms that are crucial in determining the fate of proteins are ubiquitylation and the SUMOylation pathways, which lead to the degradation and/or regulation of modified proteins. Recently, several groups have investigated the physiological impacts of these mechanisms on the regulation of different classes of cardiac ion channels. The objective of this review is to summarize and briefly discuss these results.

Nedd4-2-dependent ubiquitylation and regulation of the cardiac potassium channel hERG1

The voltage-gated cardiac potassium channel hERG1 (human ether-à-gogo-related gene 1) plays a key role in the repolarization phase of the cardiac action potential (AP). Mutations in its gene, KCNH2, can lead to defects in the biosynthesis and maturation of the channel, resulting in congenital long QT syndrome (LQTS). To identify the molecular mechanisms regulating the density of hERG1 channels at the plasma membrane, we investigated channel ubiquitylation by ubiquitin ligase Nedd4-2, a post-translational regulatory mechanism previously linked to other ion channels. We found that whole-cell hERG1 currents recorded in HEK293 cells were decreased upon neural precursor cell expressed developmentally down-regulated 4-2 (Nedd4-2) co-expression. The amount of hERG1 channels in total HEK293 lysates and at the cell surface, as assessed by Western blot and biotinylation assays, respectively, were concomitantly decreased. Nedd4-2 and hERG1 interact via a PY motif located in the C-terminus of hERG1. Finally, we determined that Nedd4-2 mediates ubiquitylation of hERG1 and that deletion of this motif affects Nedd4-2-dependent regulation. These results suggest that ubiquitylation of the hERG1 protein by Nedd4-2, and its subsequent down-regulation, could represent an important mechanism for modulation of the duration of the human cardiac action potential.

Neuronal precursor cell-expressed developmentally down-regulated 4-1 (NEDD4-1) controls the sorting of newly synthesized Ca(V)1.2 calcium channels

Neuronal precursor cell-expressed developmentally down-regulated 4 (Nedd4) proteins are ubiquitin ligases, which attach ubiquitin moieties to their target proteins, a post-translational modification that is most commonly associated with protein degradation. Nedd4 ubiquitin ligases have been shown to down-regulate both potassium and sodium channels. In this study, we investigated whether Nedd4 ubiquitin ligases also regulate Ca(v) calcium channels. We expressed three Nedd4 family members, Nedd4-1, Nedd4-2, and WWP2, together with Ca(v)1.2 channels in tsA-201 cells. We found that Nedd4-1 dramatically decreased Ca(v) whole-cell currents, whereas Nedd4-2 and WWP2 failed to regulate the current. Surface biotinylation assays revealed that Nedd4-1 decreased the number of channels inserted at the plasma membrane. Western blots also showed a concomitant decrease in the total expression of the channels. Surprisingly, however, neither the Ca(v) pore-forming α1 subunit nor the associated Ca(v)β and Ca(v)α(2)δ subunits were ubiquitylated by Nedd4-1. The proteasome inhibitor MG132 prevented the degradation of Ca(v) channels, whereas monodansylcadaverine and chloroquine partially antagonized the Nedd4-1-induced regulation of Ca(v) currents. Remarkably, the effect of Nedd4-1 was fully prevented by brefeldin A. These data suggest that Nedd4-1 promotes the sorting of newly synthesized Ca(v) channels for degradation by both the proteasome and the lysosome. Most importantly, Nedd4-1-induced regulation required the co-expression of Ca(v)β subunits, known to antagonize the retention of the channels in the endoplasmic reticulum. Altogether, our results suggest that Nedd4-1 interferes with the chaperon role of Ca(v)β at the endoplasmic reticulum/Golgi level to prevent the delivery of Ca(v) channels at the plasma membrane.

Alboluxin, a snake C-type lectin from Trimeresurus albolabris venom is a potent platelet agonist acting via GPIb and GPVI

Alboluxin, a potent platelet activator, was purified from Trimeresurus albolabris venom with a mass of 120 kDa non-reduced and, after reduction, subunits of 17 and 24 kDa. Alboluxin induced a tyrosine phosphorylation profile in platelets that resembles those produced by collagen and convulxin, involving the time dependent tyrosine phosphorylation of Fc receptor gamma chain (Fc gamma), phospholipase Cgamma2 (PLCgamma2), LAT and p72SYK. Antibodies against both GPIb and GPVI inhibited platelet aggregation induced by alboluxin, whereas antibodies against alpha2beta1 had no effect. Inhibition of alphaIIb beta3 reduced the aggregation response to alboluxin, as well as tyrosine phosphorylation of platelet proteins, showing that activation of alphaIIb beta3 and binding of fibrinogen are involved in alboluxin-induced platelet aggregation and it is not simply agglutination. N-terminal sequence data from the beta-subunit of alboluxin indicates that it belongs to the snake C-type lectin family. The C-type lectin subunits are larger than usual possibly due to post-translational modifications such as glycosylation. Alboluxin is a hexameric (alphabeta)3 snake C-type lectin which activates platelets via both GPIb and GPVI.

Antibiotic-dependent correlation between drug-induced killing and loss of luminescence in Streptococcus gordonii expressing luciferase

Measuring antibiotic-induced killing relies on time-consuming biological tests. The firefly luciferase gene (luc) was successfully used as a reporter gene to assess antibiotic efficacy rapidly in slow-growing Mycobacterium tuberculosis. We tested whether luc expression could also provide a rapid evaluation of bactericidal drugs in Streptococcus gordonii. The suicide vectors pFW5luc and a modified version of pJDC9 carrying a promoterless luc gene were used to construct transcriptional-fusion mutants. One mutant susceptible to penicillin-induced killing (LMI2) and three penicillin-tolerant derivatives (LMI103, LMI104, and LMI105) producing luciferase under independent streptococcal promoters were tested. The correlation between antibiotic-induced killing and luminescence was determined with mechanistically unrelated drugs. Chloramphenicol (20 times the MIC) inhibited bacterial growth. In parallel, luciferase stopped increasing and remained stable, as determined by luminescence and Western blots. Ciprofloxacin (200 times the MIC) rapidly killed 1.5 log10 CFU/ml in 2-4 hr. Luminescence decreased simultaneously by 10-fold. In contrast, penicillin (200 times the MIC) gave discordant results. Although killing was slow (< or = 0.5 log10 CFU/ml in 2 hr), luminescence dropped abruptly by 50-100-times in the same time. Inactivating penicillin with penicillinase restored luminescence, irrespective of viable counts. This was not due to altered luciferase expression or stability, suggesting some kind of post-translational modification. Luciferase shares homology with aminoacyl-tRNA synthetase and acyl-CoA ligase, which might be regulated by macromolecule synthesis and hence affected in penicillin-inhibited cells. Because of resemblance, luciferase might be down-regulated simultaneously. Luminescence cannot be universally used to predict antibiotic-induced killing. Thus, introducing reporter enzymes sharing mechanistic similarities with normal metabolic reactions might reveal other effects than those expected.

Neutrophil apoptosis mediated by nicotinic acid receptors (GPR109A)

G protein-coupled receptor (GPR)109A (HM74A) is a G(i) protein-coupled receptor, which is activated by nicotinic acid (NA), a lipid-lowering drug. Here, we demonstrate that mature human neutrophils, but not eosinophils, express functional GPR109A receptors. The induction of the GPR109A gene appears to occur late in the terminal differentiation process of neutrophils, since a mixed population of immature bone marrow neutrophils did not demonstrate evidence for its expression. NA accelerated apoptosis in cultured neutrophils in a concentration-dependent manner, as assessed by phosphatidylserine redistribution, caspase-3 activation, and DNA fragmentation assays. The pro-apoptotic effect of NA was abolished by pertussis toxin, which was used to block G(i) proteins, suggesting a receptor-mediated mechanism. Activation of GPR109A by NA resulted in decreased levels of cyclic adenosine monophosphate (cAMP), most likely due to G(i)-mediated inhibition of adenylyl cyclase activity. NA-induced apoptosis was reversed by the addition of cell-permeable cAMP, pointing to the possibility that reduced cAMP levels promote apoptosis in neutrophils. Distal mechanism involved in this process may include the post-translational modification of members of the Bcl-2 family, such as dephosphorylation of pro-apoptotic Bad and antiapoptotic Mcl-1 proteins. Taken together, following maturation in the bone marrow, neutrophils express functional GPR109A receptors, which might be involved in the regulation of neutrophil numbers. Moreover, this study identified a new cellular target of NA and future drugs activating GPR109A receptors, the mature neutrophil.

Role of protein translocation pathways across the endoplasmic reticulum in Trypanosoma brucei

The translocation of secretory and membrane proteins across the endoplasmic reticulum (ER) membrane is mediated by co-translational (via the signal recognition particle (SRP)) and post-translational mechanisms. In this study, we investigated the relative contributions of these two pathways in trypanosomes. A homologue of SEC71, which functions in the post-translocation chaperone pathway in yeast, was identified and silenced by RNA interference. This factor is essential for parasite viability. In SEC71-silenced cells, signal peptide (SP)-containing proteins traversed the ER, but several were mislocalized, whereas polytopic membrane protein biogenesis was unaffected. Surprisingly trypanosomes can interchangeably utilize two of the pathways to translocate SP-containing proteins except for glycosylphosphatidylinositol-anchored proteins, whose level was reduced in SEC71-silenced cells but not in cells depleted for SRP68, an SRP-binding protein. Entry of SP-containing proteins to the ER was significantly blocked only in cells co-silenced for the two translocation pathways (SEC71 and SRP68). SEC63, a factor essential for both translocation pathways in yeast, was identified and silenced by RNA interference. SEC63 silencing affected entry to the ER of both SP-containing proteins and polytopic membrane proteins, suggesting that, as in yeast, this factor is essential for both translocation pathways in vivo. This study suggests that, unlike bacteria or other eukaryotes, trypanosomes are generally promiscuous in their choice of mechanism for translocating SP-containing proteins to the ER, although the SRP-independent pathway is favored for glycosylphosphatidylinositol-anchored proteins, which are the most abundant surface proteins in these parasites.

Phosphatidylethanolamine is the precursor of the ethanolamine phosphoglycerol moiety bound to eukaryotic elongation factor 1A

In addition to its conventional role during protein synthesis, eukaryotic elongation factor 1A is involved in other cellular processes. Several regions of interaction between eukaryotic elongation factor 1A and the translational apparatus or the cytoskeleton have been identified, yet the roles of the different post-translational modifications of eukaryotic elongation factor 1A are completely unknown. One amino acid modification, which so far has only been found in eukaryotic elongation factor 1A, consists of ethanolamine-phosphoglycerol attached to two glutamate residues that are conserved between mammals and plants. We now report that ethanolamine-phosphoglycerol is also present in eukaryotic elongation factor 1A of the protozoan parasite Trypanosoma brucei, indicating that this unique protein modification is of ancient origin. In addition, using RNA-mediated gene silencing against enzymes of the Kennedy pathway, we demonstrate that phosphatidylethanolamine is a direct precursor of the ethanolamine-phosphoglycerol moiety. Down-regulation of the expression of ethanolamine kinase and ethanolamine-phosphate cytidylyltransferase results in inhibition of phosphatidylethanolamine synthesis in T. brucei procyclic forms and, concomitantly, in a block in glycosylphosphatidylinositol attachment to procyclins and ethanolamine-phosphoglycerol modification of eukaryotic elongation factor 1A.