Multi-target-directed ligands: application to the Alzheimer's disease

The MTDL (multi-target-directed ligand) design strategy is used to develop single chemical entities that are able to simultaneously modulate multiple targets. The development of such compounds might disclose new avenues for the treatment of a variety of pathologies (e.g. cancer, AIDS, neurodegenerative diseases), for which an effective cure is urgently needed. This strategy has been successfully applied to Alzheimer’s disease (AD) due to its multifactorial nature, involving cholinergic dysfunction, amyloid aggregation, and oxidative stress. Despite many biological entities have been recognized as possible AD-relevant, only four achetylcholinesterase inhibitors (AChEIs) and one NMDA receptor antagonist are used in therapy. Unfortunately, such compounds are not disease-modifying agents behaving only as cognition enhancers. Therefore, MTDL strategy is emerging as a powerful drug design paradigm: pharmacophores of different drugs are combined in the same structure to afford hybrid molecules. In principle, each pharmacophore of these new drugs should retain the ability to interact with its specific site(s) on the target and, consequently, to produce specific pharmacological responses that, taken together, should slow or block the neurodegenerative process. To this end, the design and synthesis of several examples of MTDLs for combating neurodegenerative diseases have been published. This seems to be the more appropriate approach for addressing the complexity of AD and may provide new drugs for tackling the multifactorial nature of AD, and hopefully stopping its progression. According to this emerging strategy, in this work thesis different classes of new molecular structures, based on the MTDL approach, have been developed. Moreover, curcumin and its constrained analogs have currently received remarkable interest as they have a unique conjugated structure which shows a pleiotropic profile that we considered a suitable framework in developing MTDLs. In fact, beside the well-known direct antioxidant activity, curcumin displays a wide range of biological properties including anti-inflammatory and anti-amyloidogenic activities and an indirect antioxidant action through activation of the cytoprotective enzyme heme oxygenase (HO-1). Thus, since many lines of evidence suggest that oxidative stess and mitochondria impairment have a cental role in age-related neurodegenerative diseases such as AD, we designed mitochondria-targeted antioxidants by connecting curcumin analogs to different polyamine chains that, with the aid of electrostatic force, might drive the selected antioxidant moiety into mitochondria.

Oxidative properties of the Iron - Thymine-1-acetic acid - Hydrogen peroxide catalytic system

The oxidation of alcohols and olefins is a pivotal reaction in organic synthesis. However, traditional oxidants are toxic and they often release a considerable amounts of by-products. Here, two IronIII-based systems are shown as oxidative catalyst, working in mild conditions with hydrogen peroxide as primary oxidant. An efficient catalytic system for the selective oxidation of several alcohols to their corresponding aldehydes and ketones was developed and characterized, [Fe(phen)2Cl2]NO3 (phen=1,10-Phenantroline). It was demonstrated that the adoption of a buffered aqueous solution is of crucial importance to ensure both considerable activity and selectivity.The Iron - Thymine-1-acetic acid in-situ complex was studied as catalyst in alcohol oxidations and C-H oxidative functionalization, involving hydrogen peroxide as primary oxidant in mild reaction conditions. The catalytic ability in alcohol oxidations was investigated by Density Functional Theory calculations, however the catalyst still has uncertain structure. The system shows satisfactory activity in alcohol oxidation and aliphatic rings functionalization. The Fe-THA system was studied in cyclohexene oxidation and oxidative halogenations. Halide salts such as NBu4X and NH4X were introduced in the catalytic system as halogens source to obtain cyclohexene derivatives such as halohydrins, important synthetic intermediates.The purpose of this dissertation is to contribute in testing new catalytic systems for alcohol oxidations and C-H functionalization. In particular, most of the efforts in this work focus on studying the Iron - Thymine-1-acetic acid (THA) systems as non-heme oxidative model, which present: •an iron metal centre(s) as a coordinative active site, •hydrogen peroxide as a primary oxidant, •THA as an eco-friendly, biocompatible, low cost coordinating ligand.

Elektrochemisch gesteuerte zeitaufgelöste Infrarotspektroskopie an Redox-Membranproteinen in einer biomimetischen Membran-Architektur

Das Protein Cytochrom c Oxidase (CcO) ist ein Enzym der mitochondrialen Atmungskette. Als letzter Komplex (Komplex IV) einer Elektronentransportkette katalysiert sie die Reduktion von molekularem Sauerstoff zu Wasser. Hierbei werden Elektronen von Cytochrom c (Cc) in das Enzym geleitet. Die durch den Redoxprozess freiwerdende freie Enthalpie wird dazu genutzt, einen Protonengradienten über die innere Mitochondrien-Membran aufzubauen. Die zurückwandernden Protonen treiben in der ATP-Synthase die Produktion von Adenosintriphosphat (ATP) an, dem universellen Energieträger in lebenden Organismen. Gegenstand dieser Dissertation sind zeitaufgelöste ATR-FTIR-Messungen des direkten Elektronentransfers in die CcO. Das Protein wird hierzu orientiert auf einer Goldelektrode immobilisiert und in eine künstliche Membran rekonstituiert (Protein-tethered Bilayer Lipid Membrane, ptBLM). Das ptBLM-System wird hinsichtlich einer möglichst hohen Protein-Aktivität optimiert. Elektronen werden durch elektrochemische Anregung von der Elektrode in die CcO injiziert. Die Goldoberfläche wird auf die reflektierende Oberfläche eines Silizium-ATR-Kristalls aufgebracht. Durch die Präparation einer rauen Oberfläche (RMS-Rauigkeit ca. 5 nm) wird eine Verstärkung der IR-Absorption erreicht. Die mit den Ladungstransferprozessen einhergehenden Konformationsänderungen der die Redoxzentren umgebenden Gruppen (CONH-Gerüst und Aminosäure-Seitenketten) können durch Infrarot-Spektroskopie nachgewiesen werden. Phasensensitive Detektion (PSD) wird zur Rauschminderung eingesetzt, um Geschwindigkeitskonstanten für die Redox-Übergänge zu bestimmen. Im Bereich der Amid-I-Bande werden etliche Peaks identifiziert, die sich mit dem Redoxzustand des Proteins ändern. Für das CuA-Zentrum, welches als erstes der vier Redoxzentren der CcO reduziert wird, wird die schnellste Geschwindigkeitskonstante ks=4870/s ermittelt. Für das Häm a3-Zentrum wird eine Geschwindigkeitskonstante von ks=13,8/s ermittelt. Die Ergebnisse sind konsistent zu elektrochemischen und Raman-Spektroskopie-Experimenten, welche ebenfalls in unserer Gruppe durchgeführt wurden. Weitere Themen dieser Dissertation sind der Nachweis der Anwendbarkeit des ptBLM-Systems für andere Membranproteine (Beispiel: bakterielles photosynthetisches Reaktionszentrum) und der Einsatz des ATR-FTIR-Setups für verschiedene künstliche Membransysteme (Aktivitätsnachweis des OR5-Geruchsrezeptors in einer peptidgestützten Membran, Eigenschaften eines Oligoethylenglycol-Spacers).

Characterization of the structure and iron uptake mechanisms of the Staphylococcus aureus ferric hydroxamate-binding lipoprotein FhuD2

The Reverse Vaccinology (RV) approach allows using genomic information for the delineation of new protein-based vaccines starting from an in silico analysis. The first powerful example of the application of the RV approach is given by the development of a protein-based vaccine against serogroup B Meningococcus. A similar approach was also used to identify new Staphylococcus aureus vaccine candidates, including the ferric hydroxamate-binding lipoprotein FhuD2. S. aureus is a widespread human pathogen, which employs various different strategies for iron uptake, including: (i) siderophore-mediated iron acquisition using the endogenous siderophores staphyloferrin A and B, (ii) siderophore-mediated iron acquisition using xeno-siderophores (the pathway exploited by FhuD2) and (iii) heme-mediated iron acquisition. In this work the high resolution crystal structure of FhuD2 in the iron (III)-siderophore-bound form was determined. FhuD2 belongs to the Periplasmic Binding Protein family (PBP ) class III, and is principally formed by two globular domains, at the N- and C-termini of the protein, that make up a cleft where ferrichrome-iron (III) is bound. The N- and C-terminal domains, connected by a single long α-helix, present Rossmann-like folds, showing a β-stranded core and an α-helical periphery, which do not undergo extensive structural rearrangement when they interact with the ligand, typical of class III PBP members. The structure shows that ferrichrome-bound iron does not come directly into contact with the protein; rather, the metal ion is fully coordinated by six oxygen donors of the hydroxamate groups of three ornithine residues, which, with the three glycine residues, make up the peptide backbone of ferrichrome. Furthermore, it was found that iron-free ferrichrome is able to subtract iron from transferrin. This study shows for the first time the structure of FhuD2, which was found to bind to siderophores ,and that the protein plays an important role in S. aureus colonization and infection phases.

Einfluss von Resveratrol auf oxidative DNA-Schäden und Mutagenese in vivo

Oxidative DNA-Basenmodifikationen, wie 7,8-Dihydro-8-oxoguanin (8-oxoG), werden endogen in allen Zellen gebildet. Die beobachtbaren Spiegel ergeben sich aus dem Gleichgewicht zwischen der Bildung durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS), sowie der gleichzeitigen Reparatur der DNA-Schäden. Durch ihr hohes mutagenes Potential, tragen oxidative DNA-Basenmodifikationen zur spontanen Mutationsrate bei. Der Ausfall wichtiger DNA-Reparaturmechanismen führt in Ogg1(-/-)Csb(-/-)-Knockout-Mäusen zu einem Anstieg von 8 oxoG und der spontanen Mutationsrate.rnIn dieser Arbeit sollte untersucht werden, ob die basalen Spiegel an oxidativen Basenmodifikationen und die spontanen Mutationsraten in vivo durch die orale Gabe von Resveratrol moduliert werden können. Resveratrol ist ein Pflanzeninhaltsstoff (u.a. aus Rotwein) mit einer Vielzahl von Wirkungen, der bereits in zahlreichen Studien ein chemopräventives Potential gezeigt hat und antioxidativ wirkt.rnAn verschiedenen Mausgenotypen wurden zum einen eine Kurzzeit-Behandlung (7 Tage mit 100 mg/kg per Gavage) und zum anderen eine Langzeit-Behandlung (3-9 Monate mit 0,04% ad libitum) mit Resveratrol durchgeführt. Die oxidativen DNA Schäden wurden in primären Maushepatozyten mit Hilfe einer modifizierten Alkalischen Elution, mit der bakteriellen Formamidopyrimidin-DNA Glykosylase als Sonde, bestimmt. Zur Analyse der Mutationsrate wurde der BigBlue® Mutationsassay mit anschließender Sequenzierung der Mutationen verwendet.rnDie Ergebnisse zeigen, dass die Kurzzeit- und die Langzeit-Behandlung mit Resveratrol die basalen Spiegel oxidativer DNA-Basenmodifikationen senken. Die Reduktion ist jeweils wesentlich ausgeprägter in den reparaturdefizienten Ogg1(-/-)Csb(-/-)-Mäusen zu erkennen. Auch die spontane Mutationsrate wird durch eine mehrmonatige Behandlung mit Resveratrol um ungefähr 20-30% reduziert.rnAnschließende mechanistische Untersuchungen zeigten, dass dieser Schutz wahrscheinlich auf einer Induktion der antioxidativen Schutzmechanismen begründet ist. So wurde gefunden, dass primäre Hepatozyten aus mit Resveratrol behandelten Mäusen wesentlich besser gegen exogen herbeigeführten oxidativen Stress geschützt sind, als Hepatozyten von unbehandelten Tieren. Ein weiterer Hinweis ist die Hochregulation der mRNA-Spiegel von verschiedenen antioxidativen Schutzenzymen, wie Superoxiddismutase 1 / 2, Hämoxygenase 1, Glutathionperoxidase 1, nach der Gabe von Resveratrol in Mäuselebern. Außerdem sind die oxidativen Markermutationen (GC->TA-Transversionen) stärker von der Reduktion der spontanen Mutationsrate betroffen, als andere Mutationen (z.B. GC->AT-Transitionen).rnDie Ergebnisse zeigen erstmalig, dass spontane Mutationen in vivo durch Fremdstoffe in der Nahrung reduziert werden können. Im Falle von Resveratrol wird diese Reduktion wahrscheinlich durch eine Stimulation der antioxidativen Schutzmechanismen ausgelöst.rn

Direct electron transfer to cytochrome c oxidase investigated by electrochemistry and time-resolved surface-enhanced infrared absorption spectroscopy

Cytochrom c Oxidase (CcO), der Komplex IV der Atmungskette, ist eine der Häm-Kupfer enthaltenden Oxidasen und hat eine wichtige Funktion im Zellmetabolismus. Das Enzym enthält vier prosthetische Gruppen und befindet sich in der inneren Membran von Mitochondrien und in der Zellmembran einiger aerober Bakterien. Die CcO katalysiert den Elektronentransfer (ET) von Cytochrom c zu O2, wobei die eigentliche Reaktion am binuklearen Zentrum (CuB-Häm a3) erfolgt. Bei der Reduktion von O2 zu zwei H2O werden vier Protonen verbraucht. Zudem werden vier Protonen über die Membran transportiert, wodurch eine elektrochemische Potentialdifferenz dieser Ionen zwischen Matrix und Intermembranphase entsteht. Trotz ihrer Wichtigkeit sind Membranproteine wie die CcO noch wenig untersucht, weshalb auch der Mechanismus der Atmungskette noch nicht vollständig aufgeklärt ist. Das Ziel dieser Arbeit ist, einen Beitrag zum Verständnis der Funktion der CcO zu leisten. Hierzu wurde die CcO aus Rhodobacter sphaeroides über einen His-Anker, der am C-Terminus der Untereinheit II angebracht wurde, an eine funktionalisierte Metallelektrode in definierter Orientierung gebunden. Der erste Elektronenakzeptor, das CuA, liegt dabei am nächsten zur Metalloberfläche. Dann wurde eine Doppelschicht aus Lipiden insitu zwischen die gebundenen Proteine eingefügt, was zur sog. proteingebundenen Lipid-Doppelschicht Membran (ptBLM) führt. Dabei musste die optimale Oberflächenkonzentration der gebundenen Proteine herausgefunden werden. Elektrochemische Impedanzspektroskopie(EIS), Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) und zyklische Voltammetrie (CV) wurden angewandt um die Aktivität der CcO als Funktion der Packungsdichte zu charakterisieren. Der Hauptteil der Arbeit betrifft die Untersuchung des direkten ET zur CcO unter anaeroben Bedingungen. Die Kombination aus zeitaufgelöster oberflächenverstärkter Infrarot-Absorptionsspektroskopie (tr-SEIRAS) und Elektrochemie hat sich dafür als besonders geeignet erwiesen. In einer ersten Studie wurde der ET mit Hilfe von fast scan CV untersucht, wobei CVs von nicht-aktivierter sowie aktivierter CcO mit verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten gemessen wurden. Die aktivierte Form wurde nach dem katalytischen Umsatz des Proteins in Anwesenheit von O2 erhalten. Ein vier-ET-modell wurde entwickelt um die CVs zu analysieren. Die Methode erlaubt zwischen dem Mechanismus des sequentiellen und des unabhängigen ET zu den vier Zentren CuA, Häm a, Häm a3 und CuB zu unterscheiden. Zudem lassen sich die Standardredoxpotentiale und die kinetischen Koeffizienten des ET bestimmen. In einer zweiten Studie wurde tr-SEIRAS im step scan Modus angewandt. Dafür wurden Rechteckpulse an die CcO angelegt und SEIRAS im ART-Modus verwendet um Spektren bei definierten Zeitscheiben aufzunehmen. Aus diesen Spektren wurden einzelne Banden isoliert, die Veränderungen von Vibrationsmoden der Aminosäuren und Peptidgruppen in Abhängigkeit des Redoxzustands der Zentren zeigen. Aufgrund von Zuordnungen aus der Literatur, die durch potentiometrische Titration der CcO ermittelt wurden, konnten die Banden versuchsweise den Redoxzentren zugeordnet werden. Die Bandenflächen gegen die Zeit aufgetragen geben dann die Redox-Kinetik der Zentren wieder und wurden wiederum mit dem vier-ET-Modell ausgewertet. Die Ergebnisse beider Studien erlauben die Schlussfolgerung, dass der ET zur CcO in einer ptBLM mit größter Wahrscheinlichkeit dem sequentiellen Mechanismus folgt, was dem natürlichen ET von Cytochrom c zur CcO entspricht.

Funktionsaufklärung von Atmungsproteinen in Insekten

Globine sind kleine globuläre Proteine mit nahezu ubiquitärem Vorkommen in allen Tiergruppen. Sie weisen eine typische Sandwichstruktur auf, die in der Regel aus acht α-Helices mit einer zentralen prosthetischen Häm-Gruppe besteht und die Proteine zur Bindung gasförmiger Liganden befähigt. Die Funktionen der Globine reichen von O2-Transport und – Speicherung, über eine Beteiligung bei der Entgiftung reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffspezies bis hin zu sensorischen physiologischen Aufgaben. Innerhalb der Klasse der Insekten schien das Vorhandensein von Globinen zunächst auf Insekten mit offensichtlich hypoxischen Habitaten beschränkt zu sein. Die Entdeckung des Globins glob1 in Drosophila melanogaster deutete jedoch eine sehr viel weitere Verbreitung der Globine in Insekten an, die sich durch die Identifizierung von Globingenen in einer Vielzahl von normoxisch lebenden Insekten, wie z.B. Apis mellifera oder Aedes aegypti bestätigte. D. melanogaster besitzt drei Globine, glob1, glob2 und glob3. Glob1 ist eng mit anderen intrazellulären Insektenglobinen verwandt, was zu der Annahme führte, dass es sich bei glob1 um das ursprüngliche und bei glob2 und glob3 um abgeleitete D. melanogaster Globine handelt. Glob1 wird in allen Entwicklungsstadien exprimiert, wobei die Hauptexpressionsorte der Fettkörper und das Tracheensystem sind. Die Transkription des glob1 startet von zwei alternativen Promotoren (Promotor I und II), wodurch in Kombination mit alternativem Splicing vier Transkriptvarianten (Isoform A-D) entstehen, deren Translation jedoch in einer Proteinvariante (glob1) resultiert. Hypoxische Bedingungen führen zu einer vermutlich HIF (=‚hypoxia-inducible factor‘) -vermittelten Abnahme der glob1 Genexpression, wohingegen Hyperoxie eine leichte Zunahme der glob1 mRNA Menge bewirkt. Der mithilfe des UAS/Gal4- Systems erzeugte, RNAi-vermittelte glob1 Knockdown führt zu einer schlechteren Überlebensrate adulter Fliegen unter hypoxischen Bedingungen, einer verkürzten Erholungszeit nach hypoxischem Stupor in Weibchen sowie zu einer erhöhten Resistenz gegenüber dem ROS (=‘reactive oxygen species‘) -generierenden Herbizid Paraquat in Larven und adulten Weibchen. Diese Beobachtungen sprechen für eine Funktion des Drosophila glob1 innerhalb der O2-Versorgung. Unter hyperoxischen Bedingungen hingegen wurde kein Unterschied zwischen Fliegen mit wildtypischer und manipulierter glob1-Expression festgestellt, wodurch eine Beteiligung des glob1 bei der Entgiftung reaktiver Sauerstoffspezies als mögliche Funktion vorerst ausscheidet. Bei glob2 und glob3 handelt es sich um duplizierte Gene. Auf phylogenetischen Rekonstruktionen basierend konnte die Entstehung der Globin-Duplikate auf ein Duplikationsereignis vor der Radiation des Subgenus Sophophora vor mindestens 40 Millionen Jahren zurückgeführt werden. Die durchgeführten Analysen zur molekularen Sequenzevolution der Globin-Duplikate deuten darauf hin, dass glob2 und glob3 nach der Duplikation eine Kombination aus Sub- und Neo-Funktionalisierungsprozessen durchlaufen haben. Glob2 und glob3 zeigen eine deckungsgleiche mRNA Expression, die auf die männliche Keimbahn beschränkt ist. Aufgrund des hohen Konservierungsgrads der für die Häm- und O2-Bindung essentiellen Aminosäuren kann von der Funktionalität beider Proteine ausgegangen werden. Die streng auf die männliche Keimbahn begrenzte Expression von glob2 und glob3 deutet auf eine Rolle der Globin-Duplikate innerhalb der Spermatogenese hin, die möglicherweise in einem Schutz der Spermatogenese vor oxidativem Stress besteht. Auch eine Beteiligung beim korrekten Ablauf der Spermien-Individualisierung, beispielsweise durch Regulation von Apoptoseprozessen wäre denkbar.

Charakterisierung und Expression zweier multimerer Hämolympheproteine der Schnecke Biomphalaria glabrata

Die tropische Süsswasserschnecke Biomphalaria glabrata gehört zu der Familie der Planorbidae, welche als einziges Taxon der Gastropoden Hämoglobin als Sauerstofftransportprotein verwenden. Als Zwischenwirt des Bilharzioseerregers Schistosoma mansoni ist B. glabrata von tropenmedizinischer Interesse. Das extrazelluläre BgHb zeigt sich mit einem Anteil von 95% als Hauptprotein in der Hämolymphe. Dieses setzt sich aus Polypeptidketten mit je 240kDa zusammen. Diese wiederrum lassen sich in 13-Häm-Domänen und eine deutlich kleinere N-terminalen nicht Häm-Domäne untergliedern. Die Sequenzierung von zwei der drei Untereinheiten des BgHb (BgHb1, BgHb2) ermöglichte die rekombinante Expression ganzer Untereinheiten in Insektenzellen, und die Expression einiger BgHb2-Konstrukte in E. coli Zellen. Im Rahmen meiner Arbeit gelang es, BgHb1 in biologisch aktiver Form in Insektenzellen zu exprimieren. Das aus dem Überstand der Insektenzellen aufgereinigte rekombinante BgHb1 zeigte eine immunologische Identität mit nativen BgHb. Strukturelle Analysen belegten zudem die Assemblierung des rekombinanten BgHb1 zu einer dem nativen Protein gleichenden Quartärstruktur. Demnach konnte in meiner Arbeit der Nachweis erbracht werden, dass eine einzelne Isoform in der Lage ist, zur Quartärstruktur zu assemblieren. Zusätzlich ergaben Sauerstoffbindungsanalysen, dass das rekombinante BgHb1 reversibel Sauerstoff binden kann.rnIn den restlichen 5% der B. glabrata Hämolymphe zeigt sich ein rudimentäres Hämocyanin, welches für den Sauerstofftransport keine Rolle zu spielen scheint, und ein rosettenförmiges Protein, das es aufzuklären galt. Durch massenspektrometrische Analysen erhaltene Peptidfragmente zeigten eine hohe Sequenzähnlichkeit zu den löslichen Acetylcholin -Bindeproteinen anderer Mollusken. Diese AChBP zeigen eine hohe Sequenzähnlichkeit zur Ligandenbindedomäne von Rezeptoren der Cys-Loop-Proteinfamilie.rnDatenbankrecherchen deckten die Existenz zweier Isoformen auf

Effects of maternal PETN treatment of spontaneously hypertensive rats on blood pressure in the offspring

Pentaerithrityltetranitrat (PETN) ist ein organisches Nitrat und wird in der Klinik zur Behandlung der Angina Pectoris eingesetzt. PETN hat, wenn direkt verabreicht, kaum Wirkung auf den Blutdruck. Diese Arbeit wurde konzipiert, um einen potentiellen „perinatalen Programmierung“-Effekt von PETN in spontan-hypertensiven Ratten (SHR), einem Rattenmodel der genetischen Hypertonie, zu testen. Die F0-Elterntiere wurden mit PETN (50 mg/kg/Tag) während der Schwangerschaft und der Laktation behandelt; die F1-Nachkommen bekamen nach der Ablaktation normales Haltungsfutter. Der Blutdruck wurde an den Nachkommen vom 3. Monat bis zum 8. Monat nach der Geburt gemessen. Maternale PETN-Behandlung hatte kaum Wirkung auf den Blutdruck in den männlichen SHR-Nachkommen. Dagegen zeigten die weiblichen Nachkommen der PETN-Behandlungsgruppe eine persistente Reduktion des Blutdrucks. Der systolische Blutdruck war in den weiblichen Nachkommen in der PETN-Gruppe etwa 13 mmHg niedriger im 4. Monat und etwa 10 mmHg niedriger im 8. Monat als in den Kontrolltieren. Dieser lang-anhaltende Effekt ging mit einer substanziellen Änderung der Genexpression einher, die auch beim 8. Monat noch nachzuweisen war. In den Aorten der weiblichen F1-Nachkommen wurde Veränderungen an Genexpression der α-adrenergen Rezeptoren sowie Endothelin-Rezeptoren festgestellt, die aber funktionell von minimaler Bedeutung für die PETN-Wirkung waren. Hingegen war eine klare Rolle des StickstoffmoNOXid (NO) zu sehen. Maternale PETN-Behandlung führte zur Heraufregulation der endothelialen NO-Synthase (eNOS) und der GTP-Cyclohydrolase I (GCH-1). GCH-1 ist für die Biosynthese des Tetrahydrobiopterins, eines essentiellen eNOS-Kofaktors, entscheidend, und dadurch auch für die eNOS-Funktionalität. Zusätzlich wurden auch anti-oxidative Enzyme wie die mitochondriale Superoxid-Dismutase (SOD2), die Glutathion-Peroxidase 1 (GPx1) und die Hem-Oxygenase 1 (HO-1) heraufreguliert, und die Superoxid-produzierende NADPH-Oxidase NOX1 herunterreguliert. Dies kann zur Verminderung vom oxidativen Stress und Erhöhung der NO-Bioverfügbarkeit führen. Letztlich wurde auch ~ 74 ~ die Sirtuin 1 (SIRT1) durch maternale PETN-Behandlung heraufreguliert, die auch zur Heraufregulation der SOD2, GPx1 und eNOS beitragen kann. Im Organbad-Experiment wurde die Acetylcholin-induzierte, Endothel-abhängige Vasodilatation in der Aorta der weiblichen Nachkommen der PETN-Gruppe verstärkt. Diese verbesserte Endothelfunktion, was vermutlich aus der Genexpressionsänderung resultiert, stellt sehr wahrscheinlich einen Schlüsselmechanismus der Blutdrucksenkung in den Nachkommen der PETN-behandelten F0-Tiere dar.

Faltung, Assemblierung und Stabilisierung des Transmembranproteins Cytochrom b 6

In dieser Arbeit wurde der Beitrag der interhelikalen Loops zur Faltung, Assemblierung und Stabilität des kofaktortragenden Transmembranproteins Cytochrom b6 in vitro untersucht. Cytochrom b6 ist aus vier Transmembranhelices aufgebaut, die über drei Loops miteinander verbunden sind. Die beiden nicht-kovalent gebundenen Kofaktoren werden spontan in der Häm-Bindespalte zwischen den zwei Cytochrom b6-Hälften gebunden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verlängerung oder Eliminierung des Loops, der die beiden Hälften verbindet, nicht die Faltung und Assemblierung des Proteins beeinflusst. Der Loop ist für eine räumliche Positionierung und Orientierung der Hälften während der Assemblierung nicht essentiell. Weiterhin scheint keiner der drei interhelikalen Loops für die Bindung der Kofaktoren notwendig zu sein. Die Cytochrom b6-Hälfte, bestehend aus den Helices A und B, besitzt eine Konformation, die stabil genug ist um Häm alleine zu binden. Ebenso zeigt Helix B alleine eine α-helikale Struktur und bindet ebenfalls Häm. In vivo wurden bislang keine Faktoren beschrieben, die an der Assemblierung beteiligt sind. Im Rahmen dieser Arbeit wurden strukturelle Merkmale des Häms identifiziert, welche die Spezifität der Häm-Bindung, wenigstens in vitro, ausmachen. Von großer Bedeutung ist dabei das zentrale Eisen-Ion, dessen Eliminierung oder Austausch die Häm-Bindung verhindert. Die Substituenten des Porphyrinrings scheinen hingegen für die Stabilität der Bindung notwendig zu sein.

Ablation of the tumor suppressor histidine triad nucleotide binding protein 1 is protective against hepatic ischemia/reperfusion injury

The identification of cellular pathways capable of limiting ischemia/reperfusion (I/R) injury remains a frontier in medicine, and its clinical relevance is urgent. Histidine triad nucleotide binding protein 1 (HINT1) is a tumor suppressor that influences apoptosis. Because apoptotic pathways are a feature of I/R injury, we asked whether Hint1 influences hepatic I/R injury. Hint1(-/-) and C57BL/6 mice were subjected to 70% liver ischemia followed by reperfusion for 3 or 24 hours or to a sham operation. The serum aminotransferase levels, histological lesions, apoptosis, reactive oxygen species, and expression of B cell lymphoma 2-associated X protein (Bax), heme oxygenase 1 (HO-1), interleukin-6 (IL-6), IL-10, tumor necrosis factor-a, Src, nuclear factor kappa B (p65/RelA), and c-Jun were quantified. The responses to toll-like receptor ligands and nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase activity in Kupffer cells were compared in Hint1(-/-) mice and C57BL/6 mice. After I/R, the levels of serum aminotransferases, parenchymal necrosis, and hepatocellular apoptosis were significantly lower in Hint1(-/-) mice versus control mice. Furthermore, Bax expression decreased more than 2-fold in Hint1(-/-) mice, and the increases in reactive oxygen species and HO-1 expression that were evident in wild-type mice after I/R were absent in Hint1(-/-) mice. The phosphorylation of Src and the nuclear translocation of p65 were increased in Hint1(-/-) mice, whereas the nuclear expression of phosphorylated c-Jun was decreased. The levels of the protective cytokines IL-6 and IL-10 were increased in Hint1(-/-) mice. These effects increased survival after I/R in mice lacking Hint1. Hint1(-/-) Kupffer cells were less activated than control cells after stimulation with lipopolysaccharides. CONCLUSION: The Hint1 protein influences the course of I/R injury, and its ablation in Kupffer cells may limit the extent of the injury.

Effects of flame made zinc oxide particles in human lung cells - a comparison of aerosol and suspension exposures

Background Predominantly, studies of nanoparticle (NPs) toxicology in vitro are based upon the exposure of submerged cell cultures to particle suspensions. Such an approach however, does not reflect particle inhalation. As a more realistic simulation of such a scenario, efforts were made towards direct delivery of aerosols to air-liquid-interface cultivated cell cultures by the use of aerosol exposure systems. This study aims to provide a direct comparison of the effects of zinc oxide (ZnO) NPs when delivered as either an aerosol, or in suspension to a triple cell co-culture model of the epithelial airway barrier. To ensure dose–equivalence, ZnO-deposition was determined in each exposure scenario by atomic absorption spectroscopy. Biological endpoints being investigated after 4 or 24h incubation include cytotoxicity, total reduced glutathione, induction of antioxidative genes such as heme-oxygenase 1 (HO–1) as well as the release of the (pro)-inflammatory cytokine TNFα. Results Off-gases released as by-product of flame ZnO synthesis caused a significant decrease of total reduced GSH and induced further the release of the cytokine TNFα, demonstrating the influence of the gas phase on aerosol toxicology. No direct effects could be attributed to ZnO particles. By performing suspension exposure to avoid the factor “flame-gases”, particle specific effects become apparent. Other parameters such as LDH and HO–1 were not influenced by gaseous compounds: Following aerosol exposure, LDH levels appeared elevated at both timepoints and the HO–1 transcript correlated positively with deposited ZnO-dose. Under submerged conditions, the HO–1 induction scheme deviated for 4 and 24h and increased extracellular LDH was found following 24h exposure. Conclusion In the current study, aerosol and suspension-exposure has been compared by exposing cell cultures to equivalent amounts of ZnO. Both exposure strategies differ fundamentally in their dose–response pattern. Additional differences can be found for the factor time: In the aerosol scenario, parameters tend to their maximum already after 4h of exposure, whereas under submerged conditions, effects appear most pronounced mainly after 24h. Aerosol exposure provides information about the synergistic interplay of gaseous and particulate phase of an aerosol in the context of inhalation toxicology. Exposure to suspensions represents a valuable complementary method and allows investigations on particle-associated toxicity by excluding all gas–derived effects.

Study Of The Binding Of Substrate By The Phe557Val Mutant Soybean Lipoxygenase-1

Lipoxygenases are a class of enzymes which consist of non-heme iron dioxygenases that are produced by fungi, plants, and mammals and catalyze the oxygenation of polyunsaturated fatty acid substrates to unsaturated fatty acid hydroperoxide products. The unsaturated fatty acid hydroperoxide products are stereo- and regiospecific. One such lipoxygenase, soybean lipoxygenase-1 (SBLO-1), catalyzes the conversion of linoleate to 13-hydroperoxy-9(Z),11(E)-octadecadienoate (13-HPOD) and a small amount of 9-hydroperoxy-10(E),12(Z)-octadecadienoate (9-HPOD). Although the structure of SBLO-1 is known and it is the most widely studied lipoxygenase, how it binds to substrate is still poorly understood. Two competing binding hypotheses that have been used to understand and explain the binding are the head first binding model and the tail first binding model. The head first binding model predicts linoleate binds with its polar carboxylate group in the binding pocket and the methyl terminus at the surface of the binding pocket. The tail first binding model predicts that linoleate binds with its methyl terminus end in the binding pocket and the polar carboxylate group at the surface of the binding pocket. Both binding models have been used in the explanation of previous work. In previous work the replacement of phenylalanine with valine has been performed to produce the phe557val mutant SBLO-1. The mutant SBLO-1 was then used in the enzymatic oxygenation of linoleate. With this mutant, the amount of 9-HPOD that is formed increases. This result has been interpreted using the head-first binding model in which the smaller valine residue allows linoleate to bind with the polar carboxylate group of linoleate interacting with arginine-707. The work presented in this thesis confirms the regiochemical results of the previous work and further tests the head-first binding model. If head-first binding occurs, the 9-HPOD is expected to have primarily S configuration. Utilizing chiral-phase HPLC, it was found that the 9-HPOD produced by the phe557val mutant SBLO-1 is primarily S, consistent with head-first binding. The head-first binding model was also tested using linoleyl dimethylamine (LDMA), which has been shown to be a good substrate for SBLO-1 at pH 7.0, where LDMA is thought to be positively charged. This model predicts that less of the 9-peroxide should be produced with this substrate. Through the use of gas chromatography/mass spectrometry, it was found that the conversion of LDMA by the phe557val mutant SBLO-1 resulted in the formation of a 46:54 mixture of the 13-peroxide:9-peroxide. The higher amount of 9-peroxide is the opposite of what is expected for the currently proposed model suggesting that the proposed model may not be entirely correct. The results thus far have been consistent with reverse binding but not with the proposed interaction of the polar end of the substrate with arginine-707.

NADPH-cytochrome P450 oxidoreductase: roles in physiology, pharmacology, and toxicology

This is a report on a symposium sponsored by the American Society for Pharmacology and Experimental Therapeutics and held at the Experimental Biology 2012 meeting in San Diego, California, on April 25, 2012. The symposium speakers summarized and critically evaluated our current understanding of the physiologic, pharmacological, and toxicological roles of NADPH-cytochrome P450 oxidoreductase (POR), a flavoprotein involved in electron transfer to microsomal cytochromes P450 (P450), cytochrome b(5), squalene mono-oxygenase, and heme oxygenase. Considerable insight has been derived from the development and characterization of mouse models with conditional Por deletion in particular tissues or partial suppression of POR expression in all tissues. Additional mouse models with global or conditional hepatic deletion of cytochrome b(5) are helping to clarify the P450 isoform- and substrate-specific influences of cytochrome b(5) on P450 electron transfer and catalytic function. This symposium also considered studies using siRNA to suppress POR expression in a hepatoma cell-culture model to explore the basis of the hepatic lipidosis phenotype observed in mice with conditional deletion of Por in liver. The symposium concluded with a strong translational perspective, relating the basic science of human POR structure and function to the impacts of POR genetic variation on human drug and steroid metabolism.

Sensitivity to endothelin-1 is decreased in isolated livers of endothelial constitutive nitric oxide synthase knockout mice

ABSTRACT: BACKGROUND: Hepatic sinusoidal resistance is regulated by vasoactive factors including endothelin-1 (ET-1) and nitric oxide (NO). In the absence of NO, vasoconstrictor response to endothelin is expected to predominate. Therefore, we hypothesized sensitivity to endothelin to be increased in mice lacking the endothelial cell NO synthase gene. Response of vascular resistance to endothelin was assessed in the in situ perfused liver of endothelial constitutive nitric oxide synthase (ecNOS) knockout and wild type mice. Livers were also harvested for RNA and protein isolation for quantitative PCR and Western blotting, respectively. The expression of endothelin receptors, isoenzymes of NO synthase, heme-oxygenase and adrenomedullin was quantified. RESULTS: Endothelin increased hepatic vascular resistance in a dose-dependent manner in both strains; however, this increase was significantly less in ecNOS knockout mice at physiologic concentrations. Expression of heme-oxygenases and adrenomedullin was similar in both groups, whereas inducible nitric oxide synthase (iNOS) protein was not detectable in either strain. mRNA levels of pre-pro-endothelin-1 and ETB receptor were comparable in both strains, while mRNA for ETA receptor was decreased in ecNOS knockouts. CONCLUSION: Livers of ecNOS knockout mice have a decreased sensitivity to endothelin at physiologic concentrations; this is associated with a decreased expression of ETA receptors, but not with other factors, such as iNOS, ETB receptors, adrenomedullin or heme-oxygenase. Further studies targeting adaptive changes in ETA receptor distribution and/or intracellular signaling downstream of the receptor are indicated.