Biochemical analysis of the phosphatase domain of the human soluble epoxide hydrolase (sEH)

Die lösliche Epoxidhydrolase (sEH) gehört zur Familie der Epoxidhydrolase-Enzyme. Die Rolle der sEH besteht klassischerweise in der Detoxifikation, durch Umwandlung potenziell schädlicher Epoxide in deren unschädliche Diol-Form. Hauptsächlich setzt die sEH endogene, der Arachidonsäure verwandte Signalmoleküle, wie beispielsweise die Epoxyeicosatrienoic acid, zu den entsprechenden Diolen um. Daher könnte die sEH als ein Zielenzym in der Therapie von Bluthochdruck und Entzündungen sowie diverser anderer Erkrankungen eingesetzt werden. rnDie sEH ist ein Homodimer, in dem jede Untereinheit aus zwei Domänen aufgebaut ist. Das katalytische Zentrum der Epoxidhydrolaseaktivität befindet sich in der 35 kD großen C-terminalen Domäne. Dieser Bereich der sEH s wurde bereits im Detail untersucht und nahezu alle katalytischen Eigenschaften des Enzyms sowie deren dazugehörige Funktionen sind in Zusammenhang mit dieser Domäne bekannt. Im Gegensatz dazu ist über die 25 kD große N-terminale Domäne wenig bekannt. Die N-terminale Domäne der sEH wird zur Haloacid Dehalogenase (HAD) Superfamilie von Hydrolasen gezählt, jedoch war die Funktion dieses N-terminal Domäne lange ungeklärt. Wir haben in unserer Arbeitsgruppe zum ersten Mal zeigen können, dass die sEH in Säugern ein bifunktionelles Enzym ist, welches zusätzlich zur allgemein bekannten Enzymaktivität im C-terminalen Bereich eine weitere enzymatische Funktion mit Mg2+-abhängiger Phosphataseaktivität in der N-terminalen Domäne aufweist. Aufgrund der Homologie der N-terminalen Domäne mit anderen Enzymen der HAD Familie wird für die Ausübung der Phosphatasefunktion (Dephosphorylierung) eine Reaktion in zwei Schritten angenommen.rnUm den katalytischen Mechanismus der Dephosphorylierung weiter aufzuklären, wurden biochemische Analysen der humanen sEH Phosphatase durch Generierung von Mutationen im aktiven Zentrum mittels ortsspezifischer Mutagenese durchgeführt. Hiermit sollten die an der katalytischen Aktivität beteiligten Aminosäurereste im aktiven Zentrum identifiziert und deren Rolle bei der Dephosphorylierung spezifiziert werden. rnrnAuf Basis der strukturellen und möglichen funktionellen Ähnlichkeiten der sEH und anderen Mitgliedern der HAD Superfamilie wurden Aminosäuren (konservierte und teilweise konservierte Aminosäuren) im aktiven Zentrum der sEH Phosphatase-Domäne als Kandidaten ausgewählt.rnVon den Phosphatase-Domäne bildenden Aminosäuren wurden acht ausgewählt (Asp9 (D9), Asp11 (D11), Thr123 (T123), Asn124 (N124), Lys160 (K160), Asp184 (D184), Asp185 (D185), Asn189 (N189)), die mittels ortsspezifischer Mutagenese durch nicht funktionelle Aminosäuren ausgetauscht werden sollten. Dazu wurde jede der ausgewählten Aminosäuren durch mindestens zwei alternative Aminosäuren ersetzt: entweder durch Alanin oder durch eine Aminosäure ähnlich der im Wildtyp-Enzym. Insgesamt wurden 18 verschiedene rekombinante Klone generiert, die für eine mutante sEH Phosphatase Domäne kodieren, in dem lediglich eine Aminosäure gegenüber dem Wildtyp-Enzym ersetzt wurde. Die 18 Mutanten sowie das Wildtyp (Sequenz der N-terminalen Domäne ohne Mutation) wurden in einem Expressionsvektor in E.coli kloniert und die Nukleotidsequenz durch Restriktionsverdau sowie Sequenzierung bestätigt. Die so generierte N-terminale Domäne der sEH (25kD Untereinheit) wurde dann mittels Metallaffinitätschromatographie erfolgreich aufgereinigt und auf Phosphataseaktivität gegenüber des allgemeinen Substrats 4-Nitophenylphosphat getestet. Diejenigen Mutanten, die Phosphataseaktivität zeigten, wurden anschließend kinetischen Tests unterzogen. Basiered auf den Ergebnissen dieser Untersuchungen wurden kinetische Parameter mittels vier gut etablierter Methoden berechnet und die Ergebnisse mit der „direct linear blot“ Methode interpretiert. rnDie Ergebnisse zeigten, dass die meisten der 18 generierten Mutanten inaktiv waren oder einen Großteil der Enzymaktivität (Vmax) gegenüber dem Wildtyp verloren (WT: Vmax=77.34 nmol-1 mg-1 min). Dieser Verlust an Enzymaktivität ließ sich nicht durch einen Verlust an struktureller Integrität erklären, da der Wildtyp und die mutanten Proteine in der Chromatographie das gleiche Verhalten zeigten. Alle Aminosäureaustausche Asp9 (D9), Lys160 (K160), Asp184 (D184) und Asn189 (N189) führten zum kompletten Verlust der Phosphataseaktivität, was auf deren katalytische Funktion im N-terminalen Bereich der sEH hindeutet. Bei einem Teil der Aminosäureaustausche die für Asp11 (D11), Thr123 (T123), Asn124 (N124) und Asn185 (D185) durchgeführt wurden, kam es, verglichen mit dem Wildtyp, zu einer starken Reduktion der Phosphataseaktivität, die aber dennoch für die einzelnen Proteinmutanten in unterschiedlichem Ausmaß zu messen war (2 -10% and 40% of the WT enzyme activity). Zudem zeigten die Mutanten dieser Gruppe veränderte kinetische Eigenschaften (Vmax allein oder Vmax und Km). Dabei war die kinetische Analyse des Mutanten Asp11  Asn aufgrund der nur bei dieser Mutanten detektierbaren starken Vmax Reduktion (8.1 nmol-1 mg-1 min) und einer signifikanten Reduktion der Km (Asp11: Km=0.54 mM, WT: Km=1.3 mM), von besonderem Interesse und impliziert eine Rolle von Asp11 (D11) im zweiten Schritt der Hydrolyse des katalytischen Zyklus.rnZusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass alle in dieser Arbeit untersuchten Aminosäuren für die Phosphataseaktivität der sEH nötig sind und das aktive Zentrum der sEH Phosphatase im N-terminalen Bereich des Enzyms bilden. Weiterhin tragen diese Ergebnisse zur Aufklärung der potenziellen Rolle der untersuchten Aminosäuren bei und unterstützen die Hypothese, dass die Dephosphorylierungsreaktion in zwei Schritten abläuft. Somit ist ein kombinierter Reaktionsmechanismus, ähnlich denen anderer Enzyme der HAD Familie, für die Ausübung der Dephosphorylierungsfunktion denkbar. Diese Annahme wird gestützt durch die 3D-Struktur der N-terminalen Domäne, den Ergebnissen dieser Arbeit sowie Resultaten weiterer biochemischer Analysen. Der zweistufige Mechanismus der Dephosphorylierung beinhaltet einen nukleophilen Angriff des Substratphosphors durch das Nukleophil Asp9 (D9) des aktiven Zentrums unter Bildung eines Acylphosphat-Enzym-Zwischenprodukts, gefolgt von der anschließenden Freisetzung des dephosphorylierten Substrats. Im zweiten Schritt erfolgt die Hydrolyse des Enzym-Phosphat-Zwischenprodukts unterstützt durch Asp11 (D11), und die Freisetzung der Phosphatgruppe findet statt. Die anderen untersuchten Aminosäuren sind an der Bindung von Mg 2+ und/oder Substrat beteiligt. rnMit Hilfe dieser Arbeit konnte der katalytischen Mechanismus der sEH Phosphatase weiter aufgeklärt werden und wichtige noch zu untersuchende Fragestellungen, wie die physiologische Rolle der sEH Phosphatase, deren endogene physiologische Substrate und der genaue Funktionsmechanismus als bifunktionelles Enzym (die Kommunikation der zwei katalytischen Einheiten des Enzyms) wurden aufgezeigt und diskutiert.rn

Nanoparticle preparation process using novel microjet reactor technology for enhancing dissolution rates of poorly water soluble drugs

In this study a novel method MicroJet reactor technology was developed to enable the custom preparation of nanoparticles. rnDanazol/HPMCP HP50 and Gliclazide/Eudragit S100 nanoparticles were used as model systems for the investigation of effects of process parameters and microjet reactor setup on the nanoparticle properties during the microjet reactor construction. rnFollowing the feasibility study of the microjet reactor system, three different nanoparticle formulations were prepared using fenofibrate as model drug. Fenofibrate nanoparticles stabilized with poloxamer 407 (FN), fenofibrate nanoparticles in hydroxypropyl methyl cellulose phthalate (HPMCP) matrix (FHN) and fenofibrate nanoparticles in HPMCP and chitosan matrix (FHCN) were prepared under controlled precipitation using MicroJet reactor technology. Particle sizes of all the nanoparticle formulations were adjusted to 200-250 nm. rnThe changes in the experimental parameters altered the system thermodynamics resulting in the production of nanoparticles between 20-1000 nm (PDI<0.2) with high drug loading efficiencies (96.5% in 20:1 polymer:drug ratio).rnDrug releases from all nanoparticle formulations were fast and complete after 15 minutes both in FaSSIF and FeSSIF medium whereas in mucodhesiveness tests, only FHCN formulation was found to be mucoadhesive. Results of the Caco-2 studies revealed that % dose absorbed values were significantly higher (p<0.01) for FHCN in both cases where FaSSIF and FeSSIF were used as transport buffer.rn

Molecular dynamics simulations of silicate and borate glasses and melts : structure, diffusion dynamics and vibrational properties

Molecular dynamics simulations of silicate and borate glasses and melts: Structure, diffusion dynamics and vibrational properties. In this work computer simulations of the model glass formers SiO2 and B2O3 are presented, using the techniques of classical molecular dynamics (MD) simulations and quantum mechanical calculations, based on density functional theory (DFT). The latter limits the system size to about 100−200 atoms. SiO2 and B2O3 are the two most important network formers for industrial applications of oxide glasses. Glass samples are generated by means of a quench from the melt with classical MD simulations and a subsequent structural relaxation with DFT forces. In addition, full ab initio quenches are carried out with a significantly faster cooling rate. In principle, the structural properties are in good agreement with experimental results from neutron and X-ray scattering, in all cases. A special focus is on the study of vibrational properties, as they give access to low-temperature thermodynamic properties. The vibrational spectra are calculated by the so-called ”frozen phonon” method. In all cases, the DFT curves show an acceptable agreement with experimental results of inelastic neutron scattering. In case of the model glass former B2O3, a new classical interaction potential is parametrized, based on the liquid trajectory of an ab initio MD simulation at 2300 K. In this course, a structural fitting routine is used. The inclusion of 3-body angular interactions leads to a significantly improved agreement of the liquid properties of the classical MD and ab initio MD simulations. However, the generated glass structures, in all cases, show a significantly lower fraction of 3-membered planar boroxol rings as predicted by experimental results (f=60%-80%). The largest boroxol ring fraction of f=15±5% is observed in the full ab initio quenches from 2300 K. In case of SiO2, the glass structures after the quantum mechanical relaxation are the basis for calculations of the linear thermal expansion coefficient αL(T), employing the quasi-harmonic approximation. The striking observation is a change change of sign of αL(T) going along with a temperature range of negative αL(T) at low temperatures, which is in good agreement with experimental results.

Expression, regulation and clinical significance of soluble and membrane CD14 receptors in pediatric inflammatory lung diseases

BACKGROUND: Inflammatory lung diseases are a major morbidity factor in children. Therefore, novel strategies for early detection of inflammatory lung diseases are of high interest. Bacterial lipopolysaccharide (LPS) is recognized via Toll-like receptors and CD14. CD14 exists as a soluble (sCD14) and membrane-associated (mCD14) protein, present on the surface of leukocytes. Previous studies suggest sCD14 as potential marker for inflammatory diseases, but their potential role in pediatric lung diseases remained elusive. Therefore, we examined the expression, regulation and significance of sCD14 and mCD14 in pediatric lung diseases. METHODS: sCD14 levels were quantified in serum and bronchoalveolar lavage fluid (BALF) of children with infective (pneumonia, cystic fibrosis, CF) and non-infective (asthma) inflammatory lung diseases and healthy control subjects by ELISA. Membrane CD14 expression levels on monocytes in peripheral blood and on alveolar macrophages in BALF were quantified by flow cytometry. In vitro studies were performed to investigate which factors regulate sCD14 release and mCD14 expression. RESULTS: sCD14 serum levels were specifically increased in serum of children with pneumonia compared to CF, asthma and control subjects. In vitro, CpG induced the release of sCD14 levels in a protease-independent manner, whereas LPS-mediated mCD14 shedding was prevented by serine protease inhibition. CONCLUSIONS: This study demonstrates for the first time the expression, regulation and clinical significance of soluble and membrane CD14 receptors in pediatric inflammatory lung diseases and suggests sCD14 as potential marker for pneumonia in children.

Posttraumatic stress disorder and soluble cellular adhesion molecules at rest and in response to a trauma-specific interview in patients after myocardial infarction

Posttraumatic stress disorder (PTSD) and circulating cellular adhesion molecules (CAMs) predict cardiovascular risk. We hypothesized a positive relationship between PTSD caused by myocardial infarction (MI) and soluble CAMs. We enrolled 22 post-MI patients with interviewer-rated PTSD and 22 post-MI patients with no PTSD. At 32±6months after index MI, all patients were re-scheduled to undergo the Clinician-Administered PTSD Scale (CAPS) interview and had blood collected to assess soluble CAMs at rest and after the CAPS interview. Relative to patients with no PTSD, those with PTSD had significantly higher levels of soluble vascular cellular adhesion molecule (sVCAM)-1 and intercellular adhesion molecule (sICAM)-1 at rest and, controlling for resting CAM levels, significantly higher sVCAM-1 and sICAM-1 after the interview. Greater severity of PTSD predicted significantly higher resting levels of sVCAM-1 and soluble P-selectin in patients with PTSD. At follow-up, patients with persistent PTSD (n=15) and those who had remitted (n=7) did not significantly differ in CAM levels at rest and after the interview; however, both these groups had significantly higher sVCAM-1 and sICAM-1 at rest and also after the interview compared to patients with no PTSD. Elevated levels of circulating CAMs might help explain the psychophysiologic link of PTSD with cardiovascular risk.

Urinary soluble HLA-DR is a potential biomarker for acute renal transplant rejection

BACKGROUND.: Urine is a potentially rich source of biomarkers for monitoring kidney dysfunction. In this study, we have investigated the potential of soluble human leukocyte antigen (sHLA)-DR in the urine for noninvasive monitoring of renal transplant patients. METHODS.: Urinary soluble HLA-DR levels were measured by sandwich enzyme-linked immunosorbent assay in 103 patients with renal diseases or after renal transplantation. sHLA-DR in urine was characterized by Western blotting and mass spectrometry. RESULTS.: Acute graft rejection was associated with a significantly elevated level of urinary sHLA-DR (P<0.0001), compared with recipients with stable graft function or healthy individuals. A receiver operating characteristic curve analysis showed the area under the curve to be 0.88 (P<0.001). At a selected threshold, the sensitivity was 80% and specificity was 98% for detection of acute renal transplant rejection. sHLA-DR was not exosomally associated and was of lower molecular weight compared with the HLA-DR expressed as heterodimer on the plasma membrane of antigen-presenting cells. CONCLUSIONS.: sHLA-DR excreted into urine is a promising indicator of renal transplant rejection.

Novel association to the proprotein convertase PCSK7 gene locus revealed by analysing soluble transferrin receptor (sTfR) levels

The level of body iron storage and the erythropoietic need for iron are indicated by the serum levels of ferritin and soluble transferrin receptor (sTfR), respectively. A meta-analysis of five genome-wide association studies on sTfR and ferritin revealed novel association to the PCSK7 and TMPRSS6 loci for sTfR and the HFE locus for both parameters. The PCSK7 association was the most significant (rs236918, P = 1.1 × 10E-27) suggesting that proprotein convertase 7, the gene product of PCSK7, may be involved in sTfR generation and/or iron homeostasis. Conditioning the sTfR analyses on transferrin saturation abolished the HFE signal and substantially diminished the TMPRSS6 signal while the PCSK7 association was unaffected, suggesting that the former may be mediated by transferrin saturation whereas the PCSK7-associated effect on sTfR generation appears to be more direct.

Soluble CD163 is not increased in visceral fat and steatotic liver and is even suppressed by free fatty acids in vitro

Visceral fat differs from subcutaneous fat by higher local inflammation and increased release of IL-6 and free fatty acids (FFA) which contribute to hepatic steatosis. IL-6 has been shown to upregulate the monocyte/macrophage specific receptor CD163 whose soluble form, sCD163, is increased in inflammatory diseases. Here, it was analyzed whether CD163 and sCD163 are differentially expressed in the human fat depots and fatty liver. CD163 mRNA and protein were similarly expressed in paired samples of human visceral and subcutaneous fat, and comparable levels in portal venous and systemic venous blood of liver-healthy controls indicate that release of sCD163 from visceral adipose tissue was not increased. CD163 was also similarly expressed in steatotic liver when compared to non-steatotic tissues and sCD163 was almost equal in the respective sera. Concentrations of sCD163 were not affected when passing the liver excluding substantial hepatic removal/release of this protein. A high concentration of IL-6 upregulated CD163 protein while physiological doses had no effect. However, sCD163 was not increased by any of the IL-6 doses tested. FFA even modestly decreased CD163 and sCD163. The anti-inflammatory mediators fenofibrate, pioglitazone, and eicosapentaenoic acid (EPA) did not influence sCD163 levels while CD163 was reduced by EPA. These data suggest that in humans neither visceral fat nor fatty liver are major sources of sCD163.