3D-Cryo-Elektronenmikroskopie des 4x6-Hämocyanins der Vogelspinne Eurypelma californicum unter Oxy- und Deoxybedingungen

Arthropodenhämocyanine und Molluskenhämocyanine, die extrazellulären Atmungsproteine der Arthropoden und Mollusken, unterscheiden sich grundsätzlich im Aufbau, besitzen aber ähnliche aktive Zentren, welche in ihrer oxydierten Form für die Blaufärbung der Hämocyanine verantwortlich sind. Sauerstoff wird im Bindungszentrum zwischen zwei, von sechs Histidinen ligandierten, Kupfer(I)Ionen gebunden. Arthropodenhämocyanine bauen sich artspezifisch aus 1, 2, 4, 6, oder 8 Hexameren mit D3-Symmetrie auf. Die Untereinheiten von je ca. 75 kDa falten sich in drei Domänen unterschiedlicher Funktionen. Der komplexe, hierarchische Zusammenbau der Arthropodenhämocyanine hängt von der Heterogenität der Untereinheiten ab. Die 7 verschieden Sequenzen des 4x6-Hämocyanins von Eurypelma californicum (EcHc) sind biochemisch in der Quartärstruktur lokalisiert. Bislang fehlte noch ein unabhängig erstelltes 3D-Modell der geometrischen Gesamtstruktur welche die hexamere und monomere Topographie eindeutig zeigt. Dessen Erstellung war Gegenstand dieser Arbeit, in Verbindung mit der Zielsetzung, die 3D-Rekonstruktion in den beiden extremen physiologischen Zuständen, mit und ohne gebundenen Sauerstoff, zu erzeugen. Dazu wurden in einer eigens entwickelten Atmosphären-Präparationskammer die Proteine in Lösung schockgefrorenen und mittels Cryo-3D-Elektronenmikroskopie gemessen. Aus den daraus gewonnen Projektionsbildern ließen sich mit der ”Single Particle Analyse“ die 3D-Informationen zurückberechnen. Die 3D-Rekonstruktionen wurden mit der publizierten Röntgenkristallstruktur des hexameren Referenz-Hämocyanins der Languste Panulirus interruptus verifiziert. Die Rekonstruktionen erlaubten die eindeutige Messung diverser in der Literatur diskutierter Parameter der Architektur des 4x6-EcHc und darüber hinaus weiterer geometrischer Parameter, welche hier erstmals veröffentlicht werden. SAXS-Daten sagen extreme Translationen und Rotationen von Teilquartärstrukturen zwischen oxy- und deoxy-EcHc voraus, was von den 3D-Rekonstruktionen der beiden Zustände nicht bestätigt werden konnte: Die 16 Å Rekonstruktion der Deoxyform weicht geometrisch nicht von der 21 Å Rekonstruktion der Oxyform ab. Die Einpassung der publizierten Röntgenstruktur der Untereinheit II des Hämocyanin des Pfeilschwanzkrebses Limulus polyphemus in die Rekonstruktionen unterstützt eine auf der hexameren Hierarchieebene lokalisierte Dynamik der Oxygenierung. Mittels Einpassung modellierter molekularer Strukturen der EcHc-Sequenzen konnte eine erste Vermutung zur Lokalisation der beiden zentralen Linker-Untereinheiten b und c des 4x6-Moleküls gemacht werden: Demnach würde Untereinheit b in den exponierten Hexameren des Moleküls liegen. Aussagen über die Quartärstrukturbindungen auf molekularer Ebene aufgrund der Einpassung modellierter molekularer Daten in die Rekonstruktionen sind als spekulativ einzustufen: a) Die Auflösung der Rekonstruktion ist verbesserungswürdig. b) Es gibt keine adäquate Vorlage für eine verlässliche Strukturvorhersage; die verschiedenen EcHc-Sequenzen liegen nur als Modellierung vor. c) Es wäre eine flexible Einpassung notwendig, um Ungenauigkeiten in den modellierten Strukturen durch Sekundärstrukturanpassung zu minimieren.

Aktivierung von Hämocyanin zur Tyrosinase

Ziel der Arbeit war die enzymatische Aktivierung von Cheliceraten-Hämocyanin zur Erforschung ihrer Phenoloxidase-Aktivität. Hierzu wurden zwei Hämocyanine in vergleichenden Untersuchungen herangezogen: Das bekannte 24-mer aus der Spinne Eurypelma californicum und das ebenfalls 24-mere Hämocyanin des Skorpions Pandinus imperator, dessen Struktur hier aufgeklärt wurde. Elektronenmikroskopisch und in der dynamischer Lichtstreuung sind sich beide Hämocyanine sehr ähnlich und sedimentieren bei analytischer Ultrazentrifugation ebenfalls in gleicher Weise (Sedimentationskoeffizient von 37 S (S20, W)). Durch Dissoziation im alkalischen Milieu gewinnt man bis zu zwölf Untereinheiten, von denen sich neun immunologisch unterscheiden lassen. Das absorptionsspektroskopische Verhalten von P. imperator- und E. californicum-Hämocyanin sowie Sekundärstrukturanalyse mittels CD-Spektroskopie ist nahezu identisch. Die Stabilität des Hämocyanins gegenüber Temperatur und Denaturierungsmitteln wurde mit Circulardichroismus- und Fluoreszenzspektroskopie sowie durch die enzymatische Aktivität untersucht. Erstmals konnten die Hämocyanine von P. imperator und E. californicum nicht nur zu einer stabilen Diphenoloxidase umgewandelt werden, sondern auch eine Monophenolhydroxylase-Aktivität induziert und reguliert werden. Für letztere Aktivität ist dabei die Präsenz von Tris- oder Hepes-Puffer wesentlich. Während sich die Monophenolhydroxylase-Aktivität nur auf Ebene der oligomeren Zustände beobachten lässt, erkennt man bei den isolierten Untereinheiten-Typen lediglich eine Diphenoloxidase-Aktivität. Bei dem Spinnen-Hämocyanin zeigen die Untereinheiten bc die stärkste katalytische Aktivität auf, bei P. imperator-Hämocyanin findet man drei bis vier Untereinheiten, die enzymatisch aktiv sind. Die Aktivierung mit SDS liefert den Hinweis, dass die Quartärstruktur in eine andere Konformation gebracht und nicht durch SDS denaturiert wird. Zugabe von Mg2+ reguliert die Phenoloxidase-Aktivität und verschiebt bei P. imperator-Hämocyanin die enzymatische Aktivität zugunsten der Diphenoloxidase. Mit keiner der zur Verfügung stehenden Methoden konnte jedoch ein Konformationsübergang eindeutig nachgewiesen werden. Die Stabilität scheint durch die niedrigen SDS-Konzentrationen nicht beeinträchtigt zu werden. Die sehr lange “Verzögerungsphase“ bei der Monophenolhydroxylase-Aktivität konnte durch Zugabe von katalytischem Diphenol drastisch verkürzt werden, was ein Hinweis auf die echte Tyrosinase-Aktivität des aktivierten Hämocyanins ist. Ein in vivo-Aktivator konnte bis jetzt noch nicht gefunden werden. Trotzdem scheinen die Hämocyanine in der Immunologie von Cheliceraten eine bedeutende Rolle zu spielen, indem sie die Rolle der Tyrosinasen / Phenoloxidasen beziehungsweise Catecholoxidasen übernehmen, die bei Cheliceraten nicht vorkommen. Weitere Möglichkeiten des Cheliceraten-Immunsystems, eindringende Fremdorganismen abzuwehren, wurden untersucht. Das Fehlen einer ´echten` Phenoloxidase-Aktivität bei den Cheliceraten, mit der Fähigkeit, sowohl mono- als auch diphenolische Substrate umzusetzen, stützt die Hypothese, dass aktiviertes Hämocyanin in vivo an die Stelle der Phenoloxidase tritt.

Helix-coil-transition in solid polypeptides

Abstract Poly(L-glutamic acid) (PLGA) was synthesized by living anionic ring-opening polymerization of the NCA monomer, which was obtained by reacting diphosgene with an amino acid derivative. The chemical structures and thermal properties were characterized by 1H-NMR, 13C-NMR, TGA and DSC. XRD powder patterns found to be amorphous for all polymers obtained. The molecular weights could be determined under severe limitations due to low solubility and high aggregation tendency. The secondary structure of the PLGA films was analyzed in the solid state by IR spectroscopy; the order was determined mainly by XRD. Uniform bulk films (1-5 µm) were produced by drop-casting of PLGA solutions in TFA on silica. The XRD film analysis indicated the absence of a long range order or an orientation even if a helical microstructure was confirmed by IR spectroscopy. The coil solvent TFA delivered constantly a helical or a β-sheet structure in the solid state depending on the water content of the solvent which was observed for the first time to exhibit a high influence on the crystallization process for PLGA. Temperature dependent in-situ IR measurements were examined to analyze if a helix-coil transition occurs, but there could be no solvent system determined, which resulted in a disordered coil structure in the solid state. General parameters like solvent systems, evaporation conditions, concentration, substrates etc. were analyzed. New crystallizations were obtained on silica prepared by drop-casting of solutions of PLGA in DMF, DMA, TMU, NMP, and pyridine/water mixtures, respectively. PSCBC in DMF, CDCl3/TFA-d, and PSBC in CDCl3/TFA-d exhibited the same crystalline diffraction patterns like PLGA. The long range order in the X-ray diffraction pattern is proven by extremely sharp crystalline signals, which are not changing the shape or the position of the peak by increasing the temperature up to 160°C. The substrate seems to play a decisive role because the crystalline structures were not obtainable on glass. The crystal structure consists probably of two different layered structures based on the intensity ratios of the two series of crystalline signals in the X-ray diffraction patterns. The source of the layered structure remains unclear and needs further studies to investigate the spatial arrangement of the chains in more detail. The secondary structure was still not changing upon heating even if a highly crystalline diffraction pattern occurs. Concluding that even the newly investigated crystallization did not show a helix-coil transition in the solid state by annealing, the phenomenon known in solution has to be claimed as unachievable in the solid state based on the results of this work. A remaining open question represents the observation that the same crystalline pattern can be reproducibly prepared with exhibiting two different ordered secondary structures (helix and β-sheet). After the investigation that the evaporation time cannot be decisive for the crystal growth, the choice of a strong hydrogen bonding interrupting solvent is most probably the key to support and induce the crystallization process.

De Novo Design of Foldamers for Preparation of Nanostructured Materials

This thesis deals with the synthesis and the conformation analysis of hybrid foldamers containing the 4-carboxyoxazolidin-2-one unit or related molecules, in which an imido-type function is obtained by coupling the nitrogen of the heterocycle with the carboxylic acid moiety of the next unit. The imide group is characterized by a nitrogen atom connected to an endocyclic and an exocyclic carbonyl, which tend always to adopt the trans conformation. As a consequence of this locally constrained disposition effect, these imide-type oligomers are forced to fold in ordered conformations. The synthetic approach is highly tuneable with endless variations, so, simply by changing the design and the synthesis, a wide variety of foldamers with the required properties may be prepared “on demand”. Thus a wide variety of unusual secondary structures and interesting supramolecular materials may be obtained with hybrid foldamers. The behaviour in the solid state of some of these compounds has been analyzed in detail, thus showing the formation of different kinds of supramolecular materials that may be used for several applications. A winning example is the production of a bolaamphiphilic gelators that may also be doped with small amounts of dansyl containing compounds, needed to show the cellular uptake into IGROV-1 cells, by confocal laser scanning microscopy. These gels are readily internalized by cells and are biologically inactive, making them very good candidates in the promising field of drug delivery. In the last part of the thesis, a particular attention was directed to the search of new scaffolds that behave as constrained amino acid mimetics, showing that tetramic acids derivatives could be good candidates for the synthesis and applications of molecules having an ordered secondary structure.

The C-4-Dicarboxylate carriers DcuB and DctA of Escherichia coli: function as cosensors and topology

Das fakultativ anaerobe Enterobakterium Escherichia coli nutzt C4-Dicarboxylate sowohl unter aeroben als auch anaeroben Bedingungen als Kohlenstoff- und Energiequelle. Die Aufnahme der C4-Dicarboxylaten und die Energiekonservierung mittels Fumaratatmung wird durch das Zweikomponentensystem DcuSR reguliert. Die Sensorhistidinkinase DcuS und der nachgeschaltete Responseregulator DcuR aktivieren bei Verfügbarkeit von C4-Dicarboxylaten die Expression der Gene für den Succinat Transporter DctA, den anaeroben Fumarat/Succinat Antiporter DcuB, die Fumarase B sowie die Fumaratreduktase FrdABCD. Die Transportproteine DctA und DcuB wiederum regulieren die Expression der DcuSR-abhängigen Gene negativ. Fehlen von DctA oder DcuB resultiert bereits ohne Effektor in einer maximalen Expression von dctA bzw. dcuB. Durch gerichtete und ungerichtete Mutagenese wurde gezeigt, dass die Transportfunktion des Carriers DcuB unabhängig von seiner regulatorischen Funktion ist. DcuB kann daher als Cosensor des DcuSR Systems angesehen werden.rnUnter Verwendung von Reportergenfusionen von C-terminal verkürzten Konstrukten von DcuB mit der Alkalischen Phosphatase und der β-Galactosidase wurde die Topologie des Multitransmembranproteins DcuB bestimmt. Zusätzlich wurde die Zugänglichkeit bestimmter Aminosäurereste durch chemische Modifikation mit membran-durchlässigen und membran-undurchlässigen Thiolreagenzien untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse deuten auf die Existenz eines tief in die Membran reichenden, hydrophilen Kanal hin, welcher zum Periplasma hin geöffnet ist. Mit Hilfe der Topologie-Studien, des Hydropathie-Blots und der Sekundärstruktur-Vorhersage wurde ein Modell des Carriers erstellt. DcuB besitzt kurze, periplasmatisch liegende Proteinenden, die durch 12 Transmembranhelices und zwei große hydrophile Schleifen jeweils zwischen TM VII/VIII und TM XI/XII verbunden sind. Die regulatorisch relevanten Reste K353, T396 und D398 befinden sich innerhalb von TM XI sowie auf der angrenzenden cytoplasmatischen Schleife XI-XII. Unter Berücksichtigung der strukturellen und funktionellen Aspekte wurde ein Regulationsmodell erstellt, welches die gemeinsam durch DcuB und DcuS kontrollierte C4-Dicarboxylat-abhängige Genexpression darstellt. rnDer Effekt von DctA und DcuSR auf die Expression einer dctA´-´lacZ Reportergenfusion und auf die aerobe C4-Dicarboxylat-Aufnahme wurde untersucht. In-vivo FRET-Messungen weisen auf eine direkte Wechselwirkung zwischen dem Carrier DctA und dem Sensor DcuS hin. Dieses Ergebnis stützt die Theorie der Regulation von DcuS durch C4-Dicarboxylate und durch die Cosensoren DctA bzw. DcuB mittels direkter Protein-Protein Interaktion.rn

Untersuchungen zum Ectodomain shedding des Receptor for advanced glycation endproducts

Zu den Liganden des Zelloberflächenrezeptors RAGE gehören AGEs, S100-Proteine, HMGB1 und Aβ. RAGE wird daher eine Rolle bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen sowie Diabetes, Arteriosklerose und Krebs zugesprochen. Des Weiteren geht eine Verringerung der Menge an sRAGE häufig mit diesen Krankheiten einher. Aus diesen Gründen stellt die pharmakologische Stimulierung der Proteolyse von RAGE eine vielversprechende Therapieform dar. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine Steigerung der sRAGE-Bildung über PAC1-, V2- und OT-Rezeptoren möglich ist. Die Untersuchung der PAC1-Signalwege zeigte, dass PKCα/PKCβI, CaMKII, Ca2+-Ionen, PI3-Kinase und der MAP-Kinase-Weg wichtig für die Stimulierung sind und dass der PKA-Weg nicht beteiligt ist. Die dreimonatige Behandlung von Mäusen mit PACAP-38 weist darauf hin, dass eine Stimulierung des Ectodomain Sheddings von RAGE auch in vivo erfolgen kann. Die Untersuchung der Signalwege, ausgehend von den V2- und OT-Rezeptoren, zeigte, dass ebenfalls PKCα/PKCβI, CaMKII, Ca2+-Ionen zur Aktivierung der Proteasen führen, dagegen konnte weder ein Einfluss des PKA- noch des MAP-Kinase-Weges festgestellt werden. Außerdem wurden sowohl MMP-9 als auch ADAM-10 als RAGE-spaltende Proteasen identifiziert. Die nähere Untersuchung der RAGE-Spaltstelle erbrachte, dass keine spezifische Sequenz, sondern vielmehr die Sekundärstruktur eine Rolle bei der Erkennung durch die Proteasen spielt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde weiterhin ein anti-RAGE Antikörper anhand einer neu entwickelten Methode zunächst gereinigt und dann erfolgreich an ein mit dem Fluoreszenzfarbstoff Rhodamin markiertes Polymer gekoppelt. Die Stimulierung der Proteolyse von Meprin β wurde auch untersucht und es konnte ebenfalls eine Beteiligung von ADAM-10 an der Spaltung nachgewiesen werden.

Molekulardynamik-Simulationen supramolekularer Komplexe unter Einfluss einer externen Kraft

Supramolekulare Komplexe werden durch nichtkovalente Bindungen stabilisiert. Legt man eine externe Kraft an einen solchen Komplex an, ist es möglich, diese Bindungen zu öffnen. Anhand der dafür benötigten Kraft läßt sich die Stabilität des Komplexes bestimmen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei supramolekulare Komplexe, die unterschiedliche Arten von nichtkovalenten Bindungen enthalten, mit Hilfe von Molekulardynamik (MD) Simulationen untersucht. In beiden Fällen wurden die relevanten Bindungsstrukturen und deren Stabilität ermittelt.rnZum einen wurden zwei synthetische Calix[4]aren-Catenan-Dimersysteme betrachtet, in denen die beiden Monomere über Wasserstoffbrückenbindungen aneinander gebunden sind. Die Besonderheit dieser Komplexe ist, dass die Monomere aufgrund von verschlauften Alkylketten (Catenan-Struktur) nicht vollständig voneinander getrennt werden können. In Abhängigkeit der Länge derrnAlkylketten findet man für die beiden Komplexe eine unterschiedliche Zahl von relevanten Bindungsstrukturen (Zustände). Für ein System mit relativ kurzen Alkylketten findet man zwei Zustände, eine kompakte Struktur, die auch im Gleichgewicht beobachtet wird und eine gestreckte Struktur, die nur unter dem Einfluss der externen Kraft stabil ist. Verlängert man die Alkylketten,rnbeobachtet man einen weiteren Zustand, in dem das Dimer vollständig gestreckt ist und die Monomere eine größere Separation aufweisen.rnBei dem zweiten System, das untersucht wurde, handelte es sich um einen Carbohydrat-Kation-Carbohydrat Komplex, der für die Selbstadhäsion von Meeresschwämmen eine wichtige Rolle spielt. Experimentell ist bekannt, dass sich dieser Komplex zwar mit Calciumionen, nicht aber mit Magnesiumionen bildet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die wesentlichen Unterschiede der beiden Kationarten in Bezug auf die Komplexbildung auf den kleineren Ionenradius des Magnesiumions zurückzuführen sind. Aufgrund des kleineren Radius bindet ein solvatisiertes Magnesiumion die Hydrathülle stärker und die Komplexbindung wird kinetisch gehemmt. Zum anderen bindet im Magnesiumkomplex nur eines der beiden Carbohydrate direkt an das Kation.rnDas andere Carbohydrat bindet nur indirekt über ein Wassermolekül an das Kation. Da diese indirekte Bindung gegenüber einer direkten Bindung schwächer ist, weist der Magensiumkomplex eine geringere Stabilität auf als ein vergleichbarer Calciumkomplex.rnDes Weiteren wurde untersucht, inwieweit die Ergebnisse von MD Simulationen vom verwendeten Modell (Kraftfeld) abhängen. Allgemein ist bekannt, dass die Ergebnisse von Gleichgewichtssimulationen kraftfeldabhängig sind. Im Rahmen diese Arbeit konnte gezeigt werden, dass sich für Zugsimulationen, in denen eine externe Kraft an das System angelegt wird, eine ähnliche Kraftfeldabhängigkeit ergibt. Da sich die Unterschiede der Ergebnisse auf Unterschiede in den Gleichgewichtssimulationen zurückführen lassen, kann man annehmen, dass die externe Kraft keine zusätzliche Einschränkung in Bezug auf die Zuverlässigkeit der Kraftfelder darstellt.rnAbgesehen von den MD Simulationen wurde eine in der Literatur beschriebene Methode zur Analyse von Zweizustandssystemen unter dem Einfluss einer konstanten externen Kraft erweitert. Ein Komplex läßt sich als Zweizustandssystem beschreiben, wenn dieser zwei relevante Bindungsstrukturen aufweist. Wird an solch einen Komplex eine konstante Kraft angelegt, lassen sich Übergänge zwischen den beiden Zuständen beobachten. Ist das System weit entfernt vom Gleichgewicht, kann es problematisch sein, einen der beiden Übergänge vollständig aufzulösen. In diesen Fällen wird nun vorgeschlagen, die beiden Übergänge zu einem sogenannten Kreisübergang zusammen zu fassen und diese zu zählen. Bestimmt man die Zahl der Übergänge pro Zeit in Abhängigkeit der angelegten Kraft, können die Übergangsraten bestimmt werden. Um die Methode zu validieren wurden kinetische Monte-Carlo Simulationen durchgeführt. Es zeigt sich, dass schon mit relativ kleinen Datensätzen gute Ergebnisse erzielt werden können.

Der Einfluss einer wildtypischen SOD1-Untereinheit auf Konformation und Stabilität mutanter SOD1-Heterodimere

Die Erkrankung Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist gekennzeichnet durch eine progressive Degeneration der Motoneurone. Die hierdurch im Patienten hervorgerufene fortschreitende Paralyse kann von wenigen Wochen über Monate bis zu mehreren Jahren variieren. Im Durchschnitt beträgt die Krankheitsdauer 3 - 5 Jahre. Häufig führt respiratorische Insuffizienz letztendlich zum Tod des Patienten. ALS ist bis heute unheilbar. Etwa 10 % aller ALS Fälle zeigen einen familiären Hintergrund. Hiervon werden ~20 % durch Mutationen im Gen des antioxidativen Enzyms CuZnSuperoxiddismutase (SOD1) verursacht. Mehr als 150 Mutationen im Gen der SOD1 wurden bisher als Auslöser der ALS beschrieben. Durch die Mutation erlangen SOD1 Proteine zusätzliche, bisher jedoch unbekannte toxische Eigenschaften. Ein dismutaseaktives SOD1 Enzym setzt sich aus zwei SOD1 Untereinheiten zusammen. Aufgrund der autosomal dominanten Vererbung der Krankheit kann ein SOD1 Dimer im Patienten als wildtypisches Homodimer (SOD1WT‑WT), als mutantes Homodimer (SOD1mut‑mut) oder als Heterodimer (SOD1mut-WT) vorliegen. In dieser Arbeit wurden SOD1 Dimere untersucht, deren Untereinheiten kovalent miteinander verbunden waren. Es konnte gezeigt werden, dass sich die biochemischen und biophysikalischen Eigenschaften mutanter SOD1 Heterodimere von mutanten SOD1 Homodimeren mit der gleichen Mutation unterschieden. Mutante SOD1 Heterodimere wiesen eine höhere Resistenz gegen einen Abbau durch Proteinase K auf als ihre korrespondierenden Homodimere. Des Weiteren verminderte eine wildtypische Untereinheit die Interaktion der Heterodimere mit Antikörpern gegen fehlgefaltete SOD1. Die Sekundärstruktur der mutanten SOD1 Heterodimere unterschied sich hierbei nicht auffällig von der Sekundärstruktur ihrer zugehörigen Homodimere. Eine wildtypische Untereinheit verändert somit möglicherweise die Tertiärstruktur seiner kovalent gebundenen mutanten SOD1 Untereinheit und/oder die Konformation des gesamten Dimerproteins. Durch die Mutation bedingte Missfaltungen werden hierdurch reduziert, die Stabilität des Dimers gegenüber proteolytischem Abbau erhöht. Nach der Aufreinigung der Dimerproteine wies das mutanten SOD1 Heterodimer diese Eigenschaften nicht mehr auf. Ein potentieller Interaktionspartner, der eine verminderte Fehlfaltung des Heterodimers oder eine verstärkte Missfaltung des Homodimers fördert, könnte hierbei während der Aufreinigungsprozedur verlorengegangen sein. Die hier nachgewiesene Konformationsänderung könnte über einen Prionen-ähnlichen Effekt übertragen werden und die erhöhte Stabilität das mutante, toxische Protein vor Degradation schützen. Dies korreliert mit der Beobachtung früherer Studien, in denen nachgewiesen wurde, dass mutante SOD1 Heterodimere potentiell toxischer sind als ihre korrespondierenden Homodimere.

Insight into the strand exchange reaction promoted by the RecA protein of {\it Escherichia coli\/}

In vitro, RecA protein catalyses the exchange of single strands of DNA between different DNA molecules with sequence complementarity. In order to gain insight into this complex reaction and the roles of ATP binding and hydrolysis, two different approaches have been taken. The first is to use short single-stranded deoxyoligonucleotides as the ssDNA in strand exchange. These were used to determine the signal for hydrolysis and the structure of the RecA-DNA complex that hydrolyses ATP. I present a defined kinetic analysis of the nucleotide triphosphatase activity of RecA protein using short oligonucleotides as ssDNA cofactor. I compare the effects of both homopolymers and mixed base composition oligomers on the ATPase activity of RecA protein. I examine the steady state kinetic parameters of the ATPase reaction using these oligonucleotides as ssDNA cofactor, and show that although RecA can both bind to, and utilise, oligonucleotides 7 to 20 residues in length to support the repressor cleavage activity of RecA, these oligonucleotides are unable to efficiently stimulate the ATPase activity of RecA protein. I show that the K$\sb{\rm m}\sp{\rm ATP}$, the Hill coefficient for ATP binding, the extent of reaction, and k$\sb{\rm cat}$ are all a function of ssDNA chain length and that secondary structure may also play a role in determining the effects of a particular chain length on the ATPase activity of RecA protein.^ The second approach is to utilise one of the many mutants of RecA to gain insight into this complex reaction. The mutant selected was RecA1332. Surprisingly, in vitro, this mutant possesses a DNA-dependent ATPase activity. The K$\sb{\rm m}\sp{\rm ATP}$, Hill coefficient for ATP binding, and K$\sb{\rm m}\sp{\rm DNA}$ are similar to that of wild type. k$\sb{\rm cat}$ for the ATPase activity is reduced 3 to 12-fold, however. RecA1332 is unable to use deoxyoligonucleotides as DNA cofactors in the ATPase reaction, and demonstrates an increased sensitivity to inhibition by monovalent ions. It is able to perform strand exchange with ATP and ATP$\lbrack\gamma\rbrack$S but not with UTP, whereas the wild type protein is able to use all three nucleotide triphosphates. RecA1332 appears to be slowed in its ability to form intermediates and to convert these intermediates to products. (Abstract shortened by UMI.) ^

Characterization of NARJ: A molecular chaperone involved in assembly of nitrate reductase

The major goal of this work was to define the role of accessory protein, NARJ, in assembly of nitrate reductase which is a membrane-bound multisubunit enzyme that can catalyze the reduction of nitrate to nitrite under anaerobic growth in E. coli. Nitrate reductase is encoded by the nar GHJI operon under control of the narG promoter. The purified nitrate reductase is composed of three subunits: $\alpha,\ \beta,$ and $\gamma.$ The NARJ protein which is encoded by the third gene (narJ) is not found to be associated with any of the purified preparations of the enzyme, but is required for active nitrate reductase. In this study the product of the narJ gene was identified. NARJ appeared to be produced at a reduced level, compared to the other proteins encoded by the nar operon. Since NARJ could not be overexpressed to a level for an efficient purification, NARJ was expressed and purified as a recombinant protein with polyhistidine tag. The recombinant protein NARJ-6His could functionally replace native NARJ. Purified NARJ-6His is a dimeric protein which contains no identifiable cofactors or unique secondary structure. NARJ was localized in the cytoplasm, and was not associated with nitrate reductase in the membrane. In vivo NARJ activated the $\alpha\beta$ complex and stabilized the $\alpha$ subunit against protease degradation. In the absence of the membrane-bound $\gamma$ subunit, NARJ formed an intermediate complex with $\alpha\beta$ in the cytosol. Based on these studies, NARJ fits the formal definition of a molecular chaperone. It appears to be required only for the biogenesis of nitrate reductase and, therefore, is defined as a private chaperone specifically involved in the assembly of nitrate reductase system. ^

Study of retinoic acid signaling in cancer cells: Cloning and characterization of retinoic acid responsive genes

Retinoids such as all-trans-retinoic acid (ATRA) are promising agents for cancer chemoprevention and therapy. ATRA can cause growth inhibition, induction of differentiation and apoptosis of a variety of cancer cells. These effects are thought to be mediated by nuclear retinoids receptors which are involved in ligand-dependent transcriptional activation of downstream target genes. Using differential display, we identified several retinoic acid responsive genes in the head and neck squamous carcinoma cells and lung cancer cells, including tissue type transglutaminase, cytochrome P450-related retinoic acid hydroxylase, and a novel gene, designated RAIG1. RAIG1 has two transcripts of 2.4 and 6.8 kbp, respectively, that are generated by alternative selection of polyadenylation sites. Both transcripts have the same open reading frame that encodes a protein comprised of 357 amino acid residues. The deduced RAIG1 protein sequence contains seven transmembrane domains, a signature structure of G protein-coupled receptors. RAIG1 mRNA is expressed at high level in fetal and adult lung tissues. Induction of RAIG1 expression by ATRA is rapid and dose-dependent. A fusion protein of RAIG1 and the green fluorescent protein was localized in the cell surface membrane and perinuclear vesicles in transiently transfected cells. The locus for RAIG1 gene was mapped to a region between D12S358 and D12S847 on chromosome 12p12.3-p13. Our study of the novel retinoic acid induced gene RAIG1 provide evidence for a possible interaction between retinoid and G protein signaling pathways.^ We further examined RAIG1 expression pattern in a panel of 84 cancer cell lines of different origin. The expression level varies greatly from very high to non-detectable. We selected a panel of different cancer cells to study the effects of retinoids and other differentiation agents. We observed: (1) In most cases, retinoids (including all-trans retinoic acid, 4HPR, CD437) could induce the expression of RAIG-1 in cells from cancers of the breast, colon, head and neck, lung, ovarian and prostate. (2) Compare to retinoids, butyrate is often a more potent inducer of RAIG-1 expression in many cancer cells. (3) Butyrate, Phenylacetate butyrate, (R)P-Butyrate and (S)P-Butyrate have different impact on RAIG1 expression which varies among different cell lines. Our results indicate that retinoids could restore RAIG1 expression that is down-regulated in many cancer cells.^ A mouse homologous gene, mRAIG1, was cloned by 5$\sp\prime$ RACE reaction. mRAIG1 cDNA has 2105 bp and shares 63% identity with RAIG1 cDNA. mRAIG1 encodes a polypeptide of 356 amino acid which is 76% identity with RAIG1 protein. mRAIG1 protein also has seven transmembrane domains which are structurally identical to those of RAIG1 protein. Only one 2.2 kbp mRAIG1 transcript could be detected. The mRAIG1 mRNA is also highly expressed in lung tissue. The expression of mRAIG1 gene could be induced by ATRA in several mouse embryonal carcinoma cells. The induction of mRAIG1 expression is associated with retinoic acid-induced neuroectoderm differentiation of P19 cells. Similarity in cDNA and protein sequence, secondary structure, tissue distribution and inducible expression by retinoic acid strongly suggest that the mouse gene is the homologue of the human RAIG1 gene. ^

Stereochemistry of Amino Acid Spacers Determines the Pharmacokinetics of (111)In-DOTA-Minigastrin Analogues for Targeting the CCK2/Gastrin Receptor.

The metabolic instability and high kidney retention of minigastrin (MG) analogues hamper their suitability for use in peptide-receptor radionuclide therapy of CCK2/gastrin receptor-expressing tumors. High kidney retention has been related to N-terminal glutamic acids and can be substantially reduced by coinjection of polyglutamic acids or gelofusine. The aim of the present study was to investigate the influence of the stereochemistry of the N-terminal amino acid spacer on the enzymatic stability and pharmacokinetics of (111)In-DOTA-(d-Glu)6-Ala-Tyr-Gly-Trp-Met-Asp-Phe-NH2 ((111)In-PP11-D) and (111)In-DOTA-(l-Glu)6-Ala-Tyr-Gly-Trp-Met-Asp-Phe-NH2 ((111)In-PP11-L). Using circular dichroism measurements, we demonstrate the important role of secondary structure on the pharmacokinetics of the two MG analogues. The higher in vitro serum stability together with the improved tumor-to-kidney ratio of the (d-Glu)6 congener indicates that this MG analogue might be a good candidate for further clinical study.

Purification and cloning of the novel phosphoprotein copine III and characterization of its associated kinase activity

The copines, named and first described by Creutz et al. (1998), comprise a two C2 domain-containing protein family that can aggregate phosphatidylserine membranes in a calcium-dependent manner. Although no enzymatic function has been attributed to copines, their carboxyl terminus shows homology to the A domain found in integrins that allows binding of magnesium ions. The secondary structure of A domains resembles a Rossmann fold, which can bind dinucleotides and is present in a number of intracellular enzymes. Due to a crossreacting activity of Mik b 1, an antibody to the IL-2R b chain, we were able to serendipitously clone human copine III (CIII). CIII is 65% identical to copine I (CI) and the 5 kb CIII transcript is expressed ubiquitously as determined by a multitissue Northern blot. A polyclonal antibody generated against the carboxyl terminus of CIII recognized CIII in immunoblots and immunoprecipitations. Phosphorylation of CIII was observed on serine and threonine residues, as determined by phosphoamino acid analysis. ^ Experiments were designed to determine whether or not any enzymatic activity, specifically kinase activity, was intrinsic to or associated with CIII. In vitro and in gel kinase assays were performed using transfected HA-tagged CI and CIII, immunoprecipitated endogenous CIII and purified endogenous CIII. The exogenous substrate MBP was phosphorylated in all in vitro kinase assays containing CIII protein purification and column chromatography expertise with me. ^

NMR determination of the major solution conformation of a peptoid pentamer with chiral side chains

Polymers of N-substituted glycines (“peptoids”) containing chiral centers at the α position of their side chains can form stable structures in solution. We studied a prototypical peptoid, consisting of five para-substituted (S)-N-(1-phenylethyl)glycine residues, by NMR spectroscopy. Multiple configurational isomers were observed, but because of extensive signal overlap, only the major isomer containing all cis-amide bonds was examined in detail. The NMR data for this molecule, in conjunction with previous CD spectroscopic results, indicate that the major species in methanol is a right-handed helix with cis-amide bonds. The periodicity of the helix is three residues per turn, with a pitch of ≈6 Å. This conformation is similar to that anticipated by computational studies of a chiral peptoid octamer. The helical repeat orients the amide bond chromophores in a manner consistent with the intensity of the CD signal exhibited by this molecule. Many other chiral polypeptoids have similar CD spectra, suggesting that a whole family of peptoids containing chiral side chains is capable of adopting this secondary structure motif. Taken together, our experimental and theoretical studies of the structural properties of chiral peptoids lay the groundwork for the rational design of more complex polypeptoid molecules, with a variety of applications, ranging from nanostructures to nonviral gene delivery systems.

Isolation of a myoglobin molten globule by selective cobalt(III)-induced unfolding

Reaction of the Schiff-base complex [Co(acetylacetonate-ethylenediimine)(NH3)2]+ with metmyoglobin at pH 6.5 yields a partially folded protein containing six Co(III) complexes. Although half of its α-helical secondary structure is retained, absorption and CD spectra indicate that the tertiary structure in both B-F and AGH domains is disrupted in the partially folded protein. In analogy to proton-induced unfolding, it is likely that the loss of tertiary structure is triggered by metal-ion binding to histidines. Cobalt(III)-induced unfolding of myoglobin is unique in its selectivity (other proteins are unaffected) and in allowing the isolation of the partially folded macromolecule (the protein does not refold or aggregate upon removal of free denaturant).