The leishmanicidal flavonols quercetin and quercitrin target Leishmania (Leishmania) amazonensis arginase

Polyamine biosynthesis enzymes are promising drug targets for the treatment of leishmaniasis, Chagas' disease and African sleeping sickness. Arginase, which is a metallohydrolase, is the first enzyme involved in polyamine biosynthesis and converts arginine into ornithine and urea. Ornithine is used in the polyamine pathway that is essential for cell proliferation and ROS detoxification by trypanothione. The flavonols quercetin and quercitrin have been described as antitrypanosomal and antileishmanial compounds, and their ability to inhibit arginase was tested in this work. We characterized the inhibition of recombinant arginase from Leishmania (Leishmania) amazonensis by quercetin, quercitrin and isoquercitrin. The IC50 values for quercetin, quercitrin and isoquercitrin were estimated to be 3.8, 10 and 4.3 mu M, respectively. Quercetin is a mixed inhibitor, whereas quercitrin and isoquercitrin are uncompetitive inhibitors of L. (L.) amazonensis arginase. Quercetin interacts with the substrate L-arginine and the cofactor Mn2+ at pH 9.6, whereas quercitrin and isoquercitrin do not interact with the enzyme's cofactor or substrate. Docking analysis of these flavonols suggests that the cathecol group of the three compounds interact with Asp129, which is involved in metal bridge formation for the cofactors Mn-A(2+) and Mn-B(2+) in the active site of arginase. These results help to elucidate the mechanism of action of leishmanicidal flavonols and offer new perspectives for drug design against Leishmania infection based on interactions between arginase and flavones. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Calcium Binding to Leptospira Outer Membrane Antigen LipL32 Is Not Necessary for Its Interaction with Plasma Fibronectin, Collagen Type IV, and Plasminogen

LipL32 is the most abundant outer membrane protein from pathogenic Leptospira and has been shown to bind extracellular matrix (ECM) proteins as well as Ca2+. Recent crystal structures have been obtained for the protein in the apo-and Ca2+-bound forms. In this work, we produced three LipL32 mutants (D163-168A, Q67A, and S247A) and evaluated their ability to interact with Ca2+ and with ECM glycoproteins and human plasminogen. The D163-168A mutant modifies aspartate residues involved in Ca2+ binding, whereas the other two modify residues in a cavity on the other side of the protein structure. Loss of calcium binding in the D163-D168A mutant was confirmed using intrinsic tryptophan fluorescence, circular dichroism, and thermal denaturation whereas the Q67A and S247A mutants presented the same Ca2+ affinity as the wild-type protein. We then evaluated if Ca2+ binding to LipL32 would be crucial for its interaction with collagen type IV and plasma proteins fibronectin and plasminogen. Surprisingly, the wild-type protein and all three mutants, including the D163-168A variant, bound to these ECM proteins with very similar affinities, both in the presence and absence of Ca2+ ions. In conclusion, calcium binding to LipL32 may be important to stabilize the protein, but is not necessary to mediate interaction with host extracellular matrix proteins.

Mutation Spectrum in the Large GTPase Dynamin 2, and Genotype-Phenotype Correlation in Autosomal Dominant Centronuclear Myopathy

Centronuclear myopathy (CNM) is a genetically heterogeneous disorder associated with general skeletal muscle weakness, type I fiber predominance and atrophy, and abnormally centralized nuclei. Autosomal dominant CNM is due to mutations in the large GTPase dynamin 2 (DNM2), a mechanochemical enzyme regulating cytoskeleton and membrane trafficking in cells. To date, 40 families with CNM-related DNM2 mutations have been described, and here we report 60 additional families encompassing a broad genotypic and phenotypic spectrum. In total, 18 different mutations are reported in 100 families and our cohort harbors nine known and four new mutations, including the first splice-site mutation. Genotype-phenotype correlation hypotheses are drawn from the published and new data, and allow an efficient screening strategy for molecular diagnosis. In addition to CNM, dissimilar DNM2 mutations are associated with Charcot-Marie-Tooth (CMT) peripheral neuropathy (CMTD1B and CMT2M), suggesting a tissue-specific impact of the mutations. In this study, we discuss the possible clinical overlap of CNM and CMT, and the biological significance of the respective mutations based on the known functions of dynamin 2 and its protein structure. Defects in membrane trafficking due to DNM2 mutations potentially represent a common pathological mechanism in CNM and CMT. Hum Mutat 33: 949-959, 2012. (C) 2012 Wiley Periodicals, Inc.

Algoritmos evolutivos e modelo HP para predição de estruturas de proteínas

Predição de estruturas de proteínas (PSP) é um problema computacionalmente complexo. Modelos simplificados da molécula proteica (como o Modelo HP) e o uso de Algoritmos Evolutivos (AEs) estão entre as principais técnicas investigadas para PSP. Entretanto, a avaliação de uma estrutura representada pelo Modelo HP considera apenas o número de contatos hidrofóbicos, não possibilitando distinguir entre estruturas com o mesmo número de contatos hidrofóbicos. Neste trabalho, é apresentada uma nova formulação multiobjetivo para PSP em Modelo HP. Duas métricas são avaliadas: o número de contatos hidrofóbicos e a distância entre os aminoácidos hidrofóbicos, as quais são tratados pelo AE Multiobjetivo em Tabelas (AEMT). O algoritmo mostrou-se rápido e robusto.

Mechanical Alterations in airway smooth muscle after interaction with indoor pollutant – A mathematical model.

The viscoelasticity of mammalian lung is determined by the mechanical properties and structural regulation of the airway smooth muscle (ASM). The exposure to polluted air may deteriorate these properties with harmful consequences to individual health. Formaldehyde (FA) is an important indoor pollutant found among volatile organic compounds. This pollutant permeates through the smooth muscle tissue forming covalent bonds between proteins in the extracellular matrix and intracellular protein structure changing mechanical properties of ASM and inducing asthma symptoms, such as airway hyperresponsiveness, even at low concentrations. In the experimental scenario, the mechanical effect of FA is the stiffening of the tissue, but the mechanism behind this effect is not fully understood. Thus, the aim of this study is to reproduce the mechanical behavior of the ASM, such as contraction and stretching, under FA action or not. For this, it was created a two-dimensional viscoelastic network model based on Voronoi tessellation solved using Runge-Kutta method of fourth order. The equilibrium configuration was reached when the forces in different parts of the network were equal. This model simulates the mechanical behavior of ASM through of a network of dashpots and springs. This dashpot-spring mechanical coupling mimics the composition of the actomyosin machinery of ASM through the contraction of springs to a minimum length. We hypothesized that formation of covalent bonds, due to the FA action, can be represented in the model by a simple change in the elastic constant of the springs, while the action of methacholine (MCh) reduce the equilibrium length of the spring. A sigmoid curve of tension as a function of MCh doses was obtained, showing increased tension when the muscle strip was exposed to FA. Our simulations suggest that FA, at a concentration of 0.1 ppm, can affect the elastic properties of the smooth muscle ¯bers by a factor of 120%. We also analyze the dynamic mechanical properties, observing the viscous and elastic behavior of the network. Finally, the proposed model, although simple, incorporates the phenomenology of both MCh and FA and reproduces experimental results observed with in vitro exposure of smooth muscle to FA. Thus, this new mechanical approach incorporates several well know features of the contractile system of the cells in a tissue level model. The model can also be used in different biological scales.

Mechanical alterations in airway smooth muscle after interaction with indoor pollutant - A mathematical model

The viscoelasticity of mammalian lung is determined by the mechanical properties and structural regulation of the airway smooth muscle (ASM). The exposure to polluted air may deteriorate these properties with harmful consequences to individual health. Formaldehyde (FA) is an important indoor pollutant found among volatile organic compounds. This pollutant permeates through the smooth muscle tissue forming covalent bonds between proteins in the extracellular matrix and intracellular protein structure changing mechanical properties of ASM and inducing asthma symptoms, such as airway hyperresponsiveness, even at low concentrations. In the experimental scenario, the mechanical effect of FA is the stiffening of the tissue, but the mechanism behind this effect is not fully w1derstood. Thus, the aim of this study is to reproduce the mechanical behavior of the ASM, such as contraction and stretching, under FA action or not. For this, it was created a two-dimensional viscoelastic network model based on Voronoi tessellation solved using Runge-Kutta method of fourth order. The equilibrium configuration was reached when the forces in different parts of the network were equal. This model simulates the mechanical behavior of ASM through of a network of dashpots and springs. This dashpot-spring mechanical coupling mimics the composition of the actomyosin machinery of ASM through the contraction of springs to a minimum length. We hypothesized that formation of covalent bonds, due to the FA action, can be represented in the model by a simple change in the elastic constant of the springs, while the action of methacholinc (MCh) reduce the equilibrium length of the spring. A sigmoid curve of tension as a function of MCh doses was obtained, showing increased tension when the muscle strip was exposed to FA. Our simulations suggest that FA, at a concentration of 0.1 ppm, can affect the elastic properties of the smooth muscle fibers by a factor of 120%. We also analyze the dynamic mechanical properties, observing the viscous and elastic behavior of the network. Finally, the proposed model, although simple, ir1corporates the phenomenology of both MCh and FA and reproduces experirnental results observed with ir1 vitro exposure of smooth muscle to .FA. Thus, this new mechanical approach incorporates several well know features of the contractile system of the cells ir1 a tissue level model. The model can also be used in different biological scales.

Machine learning methods for prediction of disulphide bonding states of cysteine residues in proteins

The goal of this thesis work is to develop a computational method based on machine learning techniques for predicting disulfide-bonding states of cysteine residues in proteins, which is a sub-problem of a bigger and yet unsolved problem of protein structure prediction. Improvement in the prediction of disulfide bonding states of cysteine residues will help in putting a constraint in the three dimensional (3D) space of the respective protein structure, and thus will eventually help in the prediction of 3D structure of proteins. Results of this work will have direct implications in site-directed mutational studies of proteins, proteins engineering and the problem of protein folding. We have used a combination of Artificial Neural Network (ANN) and Hidden Markov Model (HMM), the so-called Hidden Neural Network (HNN) as a machine learning technique to develop our prediction method. By using different global and local features of proteins (specifically profiles, parity of cysteine residues, average cysteine conservation, correlated mutation, sub-cellular localization, and signal peptide) as inputs and considering Eukaryotes and Prokaryotes separately we have reached to a remarkable accuracy of 94% on cysteine basis for both Eukaryotic and Prokaryotic datasets, and an accuracy of 90% and 93% on protein basis for Eukaryotic dataset and Prokaryotic dataset respectively. These accuracies are best so far ever reached by any existing prediction methods, and thus our prediction method has outperformed all the previously developed approaches and therefore is more reliable. Most interesting part of this thesis work is the differences in the prediction performances of Eukaryotes and Prokaryotes at the basic level of input coding when ‘profile’ information was given as input to our prediction method. And one of the reasons for this we discover is the difference in the amino acid composition of the local environment of bonded and free cysteine residues in Eukaryotes and Prokaryotes. Eukaryotic bonded cysteine examples have a ‘symmetric-cysteine-rich’ environment, where as Prokaryotic bonded examples lack it.

Molecular architecture of fur binding to iron-induced and - repressed genes in Helicobacter pylori

The ferric uptake regulator protein Fur regulates iron-dependent gene expression in bacteria. In the human pathogen Helicobacter pylori, Fur has been shown to regulate iron-induced and iron-repressed genes. Herein we investigate the molecular mechanisms that control this differential iron-responsive Fur regulation. Hydroxyl radical footprinting showed that Fur has different binding architectures, which characterize distinct operator typologies. On operators recognized with higher affinity by holo-Fur, the protein binds to a continuous AT-rich stretch of about 20 bp, displaying an extended protection pattern. This is indicative of protein wrapping around the DNA helix. DNA binding interference assays with the minor groove binding drug distamycin A, point out that the recognition of the holo-operators occurs through the minor groove of the DNA. By contrast, on the apo-operators, Fur binds primarily to thymine dimers within a newly identified TCATTn10TT consensus element, indicative of Fur binding to one side of the DNA, in the major groove of the double helix. Reconstitution of the TCATTn10TT motif within a holo-operator results in a feature binding swap from an holo-Fur- to an apo-Fur-recognized operator, affecting both affinity and binding architecture of Fur, and conferring apo-Fur repression features in vivo. Size exclusion chromatography indicated that Fur is a dimer in solution. However, in the presence of divalent metal ions the protein is able to multimerize. Accordingly, apo-Fur binds DNA as a dimer in gel shift assays, while in presence of iron, higher order complexes are formed. Stoichiometric Ferguson analysis indicates that these complexes correspond to one or two Fur tetramers, each bound to an operator element. Together these data suggest that the apo- and holo-Fur repression mechanisms apparently rely on two distinctive modes of operator-recognition, involving respectively the readout of a specific nucleotide consensus motif in the major groove for apo-operators, and the recognition of AT-rich stretches in the minor groove for holo-operators, whereas the iron-responsive binding affinity is controlled through metal-dependent shaping of the protein structure in order to match preferentially the major or the minor groove.

Untersuchung der Strukturdynamik arbeitender F1-ATPase und ATP-Synthase aus Micrococcus luteus in Einzelschußexperimenten mit Synchrotronstrahlung

ZusammenfassungDie ATP-Synthase koppelt im Energiestoffwechsel der Zellen den Protonentransport über die biologische Membran mit der Synthese des energiespeichernden Moleküls ATP aus ADP und Phosphat. ATP-Synthasen bestehen aus 2 Subkomplexen, wobei der katalytische F1-Teil von der membranständigen Domäne abgelöst werden kann und nur zur ATP-Hydrolyse fähig ist. Der hochkooperative Reaktionsmechanismus der dreizentrigen ATP-Synthasen ist weitgehend unklar.Im Rahmen dieser Arbeit wurde der ATP-Synthasekomplex und ihr wasserlösliches katalytisches F1-Fragment aus Micrococcus luteus in präparativem Maßstab mittels chromatographischer Trennmethoden isoliert. Die Überprüfung der Funktionalität beider Enzyme erfolgte mit enzymatischen Methoden. Durch zeitaufgelöste Röntgenkleinwinkelstreuung wurde die Strukturdynamik der arbeitenden ATP-Synthase und ihres F1-Fragmentes aus Micrococcus luteus im Laufe des ATP-Hydrolysezyklus untersucht. Diese Methode diente zum Nachweis weiträumiger Konformationsänderungen innerhalb der arbeitenden Enzyme unter nativen physiologischen Bedingungen. Die zeitaufgelösten Streuexperimente fanden an der ESRF (Europäische Synchrotronstrahlungsquelle) in Grenoble (F) statt. Dort wurden für beide Enzyme im Laufe des ATP-Hydrolysezykus molekulare Bewegungen nachgewiesen. Als Referenz zu den zeitaufgelösten Messungen dienten statische Messungen zur Strukturuntersuchung der Proteine am schwächeren DESY. Anhand dieser Strukturdaten wurden Molekülmodelle der F1-ATPase und ATP-Synthase aus Micrococcus luteus konstruiert. Das Molekülmodell der F1-ATPase war die Grundlage zur Modellierung einzelner Teilschritte des ATP-Hydrolysezyklus bei 20°C. Die experimentellen Daten wurden mit einer Kippbewegung der membranseitigen Domäne der katalytischen b-Untereinheiten der F1-ATPase während des ATP-Hydrolysezyklus interpretiert.

Charakterisierung der Vinorin-Synthase aus Rauvolfia serpentina durch Reinigung, Expression, Mutation und Kristallisation

ABSTRACTDie vorliegende Arbeit befasste sich mit der Reinigung,heterologen Expression, Charakterisierung, molekularenAnalyse, Mutation und Kristallisation des EnzymsVinorin-Synthase. Das Enzym spielt eine wichtige Rolle inder Ajmalin-Biosynthese, da es in einerAcetyl-CoA-abhängigen Reaktion die Umwandlung desSarpagan-Alkaloids 16-epi-Vellosimin zu Vinorin unterBildung des Ajmalan-Grundgerüstes katalysiert. Nach der Reinigung der Vinorin-Synthase ausHybrid-Zellkulturen von Rauvolfia serpentina/Rhazya strictamit den fünf chromatographischen TrennmethodenAnionenaustauschchromatographie an SOURCE 30Q, HydrophobeInteraktionen Chromatographie an SOURCE 15PHE,Chromatographie an MacroPrep Ceramic Hydroxyapatit,Anionenaustauschchromatographie an Mono Q undGrößenausschlußchromatographie an Superdex 75 konnte dieVinorin-Synthase aus 2 kg Zellkulturgewebe 991fachangereichert werden.Das nach der Reinigung angefertigte SDS-Gel ermöglichte eineklare Zuordnung der Protein-Bande als Vinorin-Synthase.Der Verdau der Enzymbande mit der Endoproteinase LysC unddie darauffolgende Sequenzierung der Spaltpeptide führte zuvier Peptidsequenzen. Der Datenbankvergleich (SwissProt)zeigte keinerlei Homologien zu Sequenzen bekannterPflanzenenzyme. Mit degenerierten Primern, abgeleitet voneinem der erhaltenen Peptidfragmente und einer konserviertenRegion bekannter Acetyltransferasen gelang es, ein erstescDNA-Fragment der Vinorin-Synthase zu amplifizieren. Mit derMethode der RACE-PCR wurde die Nukleoidsequenzvervollständigt, was zu einem cDNA-Vollängenklon mit einerGröße von 1263 bp führte, der für ein Protein mit 421Aminosäuren (46 kDa) codiert.Das Vinorin-Synthase-Gen wurde in den pQE2-Expressionsvektorligiert, der für einen N-terminalen 6-fachen His-tagcodiert. Anschließend wurde sie erstmals erfolgreich in E.coli im mg-Maßstab exprimiert und bis zur Homogenitätgereinigt. Durch die erfolgreiche Überexpression konnte dieVinorin-Synthase eingehend charakterisiert werden. DerKM-Wert für das Substrat Gardneral wurde mit 20 µM, bzw.41.2 µM bestimmt und Vmax betrug 1 pkat, bzw. 1.71 pkat.Nach erfolgreicher Abspaltung des His-tags wurden diekinetischen Parameter erneut bestimmt (KM- Wert 7.5 µM, bzw.27.52 µM, Vmax 0.7 pkat, bzw. 1.21 pkat). Das Co-Substratzeigt einen KM- Wert von 60.5 µM (Vmax 0.6 pkat). DieVinorin-Synthase besitzt ein Temperatur-Optimum von 35 °Cund ein pH-Optimum bei 7.8.Homologievergleiche mit anderen Enzymen zeigten, dass dieVinorin-Synthase zu einer noch kleinen Familie von bisher 10Acetyltransferasen gehört. Alle Enzyme der Familie haben einHxxxD und ein DFGWG-Motiv zu 100 % konserviert. Basierendauf diesen Homologievergleichen und Inhibitorstudien wurden11 in dieser Proteinfamilie konservierte Aminosäuren gegenAlanin ausgetauscht, um so die Aminosäuren einer in derLiteratur postulierten katalytischen Triade(Ser/Cys-His-Asp) zu identifizieren.Die Mutation aller vorhandenen konservierten Serine undCysteine resultierte in keiner Mutante, die zumvollständigen Aktivitätsverlust des Enzyms führte. Nur dieMutationen H160A und D164A resultierten in einemvollständigen Aktivitätsverlust des Enzyms. Dieses Ergebniswiderlegt die Theorie einer katalytischen Triade und zeigte,dass die Aminosäuren H160A und D164A exklusiv an derkatalytischen Reaktion beteiligt sind.Zur Überprüfung dieser Ergebnisse und zur vollständigenAufklärung des Reaktionsmechanismus wurde dieVinorin-Synthase kristallisiert. Die bis jetzt erhaltenenKristalle (Kristallgröße in µm x: 150, y: 200, z: 200)gehören der Raumgruppe P212121 (orthorhombisch primitiv) anund beugen bis 3.3 Å. Da es bis jetzt keine Kristallstruktureines zur Vinorin-Synthase homologen Proteins gibt, konntedie Struktur noch nicht vollständig aufgeklärt werden. ZurLösung des Phasenproblems wird mit der Methode der multiplenanomalen Dispersion (MAD) jetzt versucht, die ersteKristallstruktur in dieser Enzymfamilie aufzuklären.

Investigating the role of single point mutations in the human proteome: a computational study

In the post genomic era with the massive production of biological data the understanding of factors affecting protein stability is one of the most important and challenging tasks for highlighting the role of mutations in relation to human maladies. The problem is at the basis of what is referred to as molecular medicine with the underlying idea that pathologies can be detailed at a molecular level. To this purpose scientific efforts focus on characterising mutations that hamper protein functions and by these affect biological processes at the basis of cell physiology. New techniques have been developed with the aim of detailing single nucleotide polymorphisms (SNPs) at large in all the human chromosomes and by this information in specific databases are exponentially increasing. Eventually mutations that can be found at the DNA level, when occurring in transcribed regions may then lead to mutated proteins and this can be a serious medical problem, largely affecting the phenotype. Bioinformatics tools are urgently needed to cope with the flood of genomic data stored in database and in order to analyse the role of SNPs at the protein level. In principle several experimental and theoretical observations are suggesting that protein stability in the solvent-protein space is responsible of the correct protein functioning. Then mutations that are found disease related during DNA analysis are often assumed to perturb protein stability as well. However so far no extensive analysis at the proteome level has investigated whether this is the case. Also computationally methods have been developed to infer whether a mutation is disease related and independently whether it affects protein stability. Therefore whether the perturbation of protein stability is related to what it is routinely referred to as a disease is still a big question mark. In this work we have tried for the first time to explore the relation among mutations at the protein level and their relevance to diseases with a large-scale computational study of the data from different databases. To this aim in the first part of the thesis for each mutation type we have derived two probabilistic indices (for 141 out of 150 possible SNPs): the perturbing index (Pp), which indicates the probability that a given mutation effects protein stability considering all the “in vitro” thermodynamic data available and the disease index (Pd), which indicates the probability of a mutation to be disease related, given all the mutations that have been clinically associated so far. We find with a robust statistics that the two indexes correlate with the exception of all the mutations that are somatic cancer related. By this each mutation of the 150 can be coded by two values that allow a direct comparison with data base information. Furthermore we also implement computational methods that starting from the protein structure is suited to predict the effect of a mutation on protein stability and find that overpasses a set of other predictors performing the same task. The predictor is based on support vector machines and takes as input protein tertiary structures. We show that the predicted data well correlate with the data from the databases. All our efforts therefore add to the SNP annotation process and more importantly found the relationship among protein stability perturbation and the human variome leading to the diseasome.

Über die Funktion und Struktur der Tyrosinase aus Streptomyces antibioticus

Für die Aufklärung der chemisch anspruchsvollen Monophenolase-Reaktion von Tyrosinasen wurde ein System entwickelt, um das Zielprotein aus dem Bakterium Streptomyces antibioticus in großen Mengen und mit hoher Reinheit zu isolieren. Zudem konnte ein hypothetischer Reaktionsmechanismus für die Monophenolase- und die Diphenolase-Aktivität der Tyrosinase formuliert werden. Die beiden Reaktionen der S. antibioticus-Tyrosinase wurden kinetisch analysiert und auf diesem Weg die Aktivität des Enzyms mit jener der sehr gut charakterisierten Tyrosinase aus dem Pilz Agaricus bisporus verglichen. Hierbei wurden signifikante Unterschiede festgestellt, die auf die verschiedenartigen Proteinstrukturen zurückgeführt wurden. Auch konnte gezeigt werden, dass einige sekundäre Pflanzenstoffe, die vor allem in Wein zu finden sind und in ihrer chemischen Struktur den Tyrosinasesubstraten ähnlich sind, die Aktivität dieses Enzyms maßgeblich beeinflussen. Das O2-Transportprotein Hämocyanin aus der Vogelspinne Eurypelma californicum, das wie die Tyrosinase zu der Familie der Typ-3-Kupferproteine gehört, ist nach chemischer Aktivierung zur Phenoloxidase zur enzymatischen Quervernetzung von Proteinen fähig. Die Tatsache, dass diese Quervernetzung auch das Hämocyanin selbst betrifft, sowie der erfolgreiche Nachweis von Hämocyanin in der Kutikula des genannten Organismus, legen die Vermutung nahe, dass die physiologische Funktion von Hämocyanin im Rahmen der Sklerotisierung des Exoskeletts in einer aktiven und passiven Beteiligung an Gerbungsprozessen im Integument besteht.

Untersuchung der Struktur und Assemblierung des Lichtsammelkomplexes II höherer Pflanzen mittels elektronenparamagnetischer Resonanz (EPR)

Der Haupt-Lichtsammelkomplex (LHCII) des Photosyntheseapparates höherer Pflanzen gehört zu den häufigsten Membranproteinen der Erde. Seine Kristallstruktur ist bekannt. Das Apoprotein kann rekombinant in Escherichia coli überexprimiert und somit molekularbiologisch vielfältig verändert werden. In Detergenzlösung besitzt das denaturierte Protein die erstaunliche Fähigkeit, sich spontan zu funktionalen Protein-Pigment-Komplexen zu organisieren, welche strukturell nahezu identisch sind mit nativem LHCII. Der Faltungsprozess findet in vitro im Zeitbereich von Sekunden bis Minuten statt und ist abhängig von der Bindung der Cofaktoren Chlorophyll a und b sowie verschiedenen Carotinoiden.rn Diese Eigenschaften machen LHCII besonders geeignet für Strukturuntersuchungen mittels der elektronenparamagnetischen Resonanz (EPR)-Spektrokopie. Diese setzt eine punktspezifische Spinmarkierung des LHCII voraus, die in dieser Arbeit zunächst optimiert wurde. Einschließlich der Beiträge Anderer stand eine breite Auswahl von über 40 spinmarkierten Mutanten des LHCII bereit, einen N-terminalen „Cys walk“ eingeschlossen. Weder der hierfür notwendige Austausch einzelner Aminosäuren noch die Anknüpfung des Spinmarkers beeinträchtigten die Funktion des LHCII. Zudem konnte ein Protokoll zur Präparation heterogen spinmarkierter LHCII-Trimere entwickelt werden, also von Trimeren, die jeweils nur ein Monomer mit einer Spinmarkierung enthalten.rn Spinmarkierte Proben des Detergenz-solubilisierten LHCII wurden unter Verwendung verschiedener EPR-Techniken strukturell analysiert. Als besonders aussagekräftig erwies sich die Messung der Wasserzugänglichkeit einzelner Aminosäurepositionen anhand der Electron Spin Echo Envelope Modulation (ESEEM). In Kombination mit der etablierten Double Electron-Electron Resonance (DEER)-Technik zur Detektion von Abständen zwischen zwei Spinmarkern wurde der membranständige Kernbereich des LHCII in Lösung eingehend untersucht und strukturell der Kristallstruktur für sehr ähnlich befunden. Die Vermessung kristallographisch nicht erfasster Bereiche nahe dem N-Terminus offenbarte die schon früher detektierte Strukturdynamik der Domäne in Abhängigkeit des Oligomerisierungsgrades. Der neue, noch zu vervollständigende Datensatz aus Abstandsverteilungen und ESEEM-Wasserzugänglichkeiten monomerer wie trimerer Proben sollte in naher Zukunft die sehr genaue Modellierung der N-terminalen Domäne des LHCII ermöglichen.rn In einem weiteren Abschnitt der Arbeit wurde die Faltung des LHCII-Apoproteins bei der LHCII-Assemblierung in vitro untersucht. Vorausgegangene fluoreszenzspektroskopi-sche Arbeiten hatten gezeigt, dass die Bindung von Chlorophyll a und b in aufeinanderfolgenden Schritten im Zeitbereich von weniger als einer Minute bzw. mehreren Minuten erfolgten. Sowohl die Wasserzugänglichkeit einzelner Aminosäurepositionen als auch Spin-Spin-Abstände änderten sich in ähnlichen Zeitbereichen. Die Daten deuten darauf hin, dass die Ausbildung der mittleren Transmembran-Helix mit der schnelleren Chlorophyll-a-Bindung einhergeht, während sich die Superhelix aus den beiden anderen Transmembranhelices erst im langsameren Schritt, zusammen mit der Chlorophyll-b-Bindung, ausbildet.rn

Komparative Analyse der humanen Chromosomenregion 11p15.3 um die Gene LMO1,TUB und der orthologen Region in der Maus

Ziel der vorliegenden Arbeit war die vergleichende Sequenzierung und nachfolgende Analyse des syntänen chromosomalen Abschnitts auf dem kurzen Arm des humanen Chromosoms 11 in der Region 11p15.3 mit den Genen LMO1, TUB und dem orthologen Genomabschnitt der Maus auf Chromosom 7 F2. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Kartierung dieser beiden chromosomalen Bereiche ermöglichte die Komplettierung einer genomischen Karte auf insgesamt über eine Megabase, die im Kooperationssequenzierprojekt der Universitäts-Kinderklinik und dem Institut für Molekulargenetik in Mainz erstellt wurde. Mit Hilfe von 28 PAC- und Cosmid-Klonen konnten in dieser Arbeit 383 kb an genomischer DNA des Menschen und mit sechs BAC- und PAC-Klonen 412 kb an genomischer DNA der Maus dargestellt werden. Dies ermöglichte erstmals die exakte Festlegung der Reihenfolge der in diesem chromosomalen Abschnitt enthaltenen Gene und die genaue Kartierung von acht STS-Markern des Menschen, bzw. vier STS-Sonden der Maus. Es zeigte sich dabei, dass die chromosomale Orientierung telomer-/centromerwärts des orthologen Bereichs in der Maus im Vergleich zum Menschen in invertierter Ausrichtung vorliegt. Die Sequenzierung von drei humanen Klonen ermöglichte die Bestimmung von 319.119 bp an zusammenhängender genomischer DNA. Dadurch konnte die genaue Lokalisation und Strukturaufklärung der Gene LMO1, ein putatives Tumorsuppressorgen, das mit der Entstehung von Leukämien assoziiert ist, und TUB, ein Transkriptionsmodulator, der in die Fettstoffwechselregulation involviert ist, vorgenommen werden. Für das murine Genom wurden 412.827 bp an neuer DNA-Sequenz durch Sequenzierung von ebenfalls drei Klonen generiert. Der im Vergleich zum Menschen ca. 100 kb größere Genombereich beinhaltete zudem die neuen Gene Stk33 und Eif3. Es handelte sich dabei um zwei Gene, die erst im Rahmen dieser Arbeit entdeckt und charakterisiert wurden. Die parallele Bearbeitung beider Genombereiche ermöglichte eine umfassende komparative Analyse nach kodierenden, funktionellen und strukturgebenden Sequenzabschnitten in beiden Spezies. Es konnten dabei für beide Organismen die Exon-Intron-Strukturen der Gene LMO1/Lmo1 und TUB/Tub geklärt. Zudem konnten vier neue Exons und zwei neue speziesspezifischer Spleißvarianten für TUB/Tub beschrieben werden. Die Identifizierung dieser neuen Spleißvarianten offenbart neue Möglichkeiten für alternative Regulation und Funktion, oder für eine veränderte Proteinstruktur, die weitere Erklärungsansätze für die Entstehung der mit diesen Genen assoziierten Erkrankungen zulässt. In der sequenzierten, größeren Genomsequenz der Maus konnte in den flankierenden, nicht mit der sequenzierten Humansequenz überlappenden Bereich das neue Gen Eif3 in seiner Exon-Intron-Struktur und die beiden letzten Exons 11 und 12 des Gens Stk33 kartiert und charakterisiert werden. Die umfangreiche Sequenzanalyse beider sequenzierter Genombereiche ergab für den Abschnitt des Menschen insgesamt 229 potentielle Exonsequenzen und für den Bereich der Maus 527 mögliche Exonbereiche. Davon konnten beim Menschen explizit 21 Exons und bei der Maus 31 Exons als exprimierte Bereiche identifiziert und experimentell mittels RT-PCR, bzw. durch cDNA-Sequenzierung verifiziert werden. Diese Abschnitte beschrieben nicht nur die Exonbereiche der oben genannten vier Gene, sondern konnten auch neuen nicht weiter definierten EST-Sequenzen zugeordnet werden. Mittels des Interspeziesvergleiches war darüber hinaus auch die Analyse der nichtkodierenden Intergen-Bereiche möglich. So konnten beispielsweise im ersten Intron des LMO1/Lmo1 sieben Sequenzbereiche mit Konservierungen von ca. 90% bestimmt werden. Auch die Charakterisierung von Promotor- und putativ regulatorischen Sequenzabschnitten konnte mit Hilfe unterschiedlicher bioinformatischer Analyse-Tools durchgeführt werden. Die konservierten Sequenzbereiche der DNA zeigen im Durchschnitt eine Homologie von mehr als 65% auf. Auch die Betrachtung der Genomorganisation zeigte Gemeinsamkeiten, die sich meist nur in ihrer graduellen Ausprägung unterschieden. So weist ein knapp 80 kb großer Bereich proximal zum humanen TUB-Gen einen deutlich erhöhten AT-Gehalt auf, der ebenso im murinen Genom nur in verkürzter Version und schwächer ausgeprägt in Erscheinung tritt. Die zusätzliche Vergleichsanalyse mit einer weiteren Spezies, den orthologen Genomabschnitten von Fugu, zeigte, dass es sich bei den untersuchten Genen LMO1 und TUB um sehr konservierte und evolutiv alte Gene handelt, deren genomisches Organisationsmuster sich auch bei den paralogen Genfamilienmitglieder innerhalb derselben Spezies wiederfindet. Insgesamt konnte durch die Kartierung, Sequenzierung und Analyse eine umfassende Datenbasis für die betrachtete Genomregion und die beschriebenen Gene generiert werden, die für zukünftige Untersuchungen und Fragestellungen wertvolle Informationen bereithält.

Biofunktionalisierung oxidischer Titanoberflächen über eine spezifische Anbindung von biotinyliertem Fibronektin für die medizinische Anwendung

In der hier vorliegenden Dissertation wird die Entwicklung und Charakterisierung einer biomimetischen Beschichtung für Titanimplantatoberflächen, insbesondere Dentalimplantate, beschrieben. Ziel war es, die Adhäsion und Aktivität von Osteoblasten auf Titanoberflächen zu steigern und so eine Beschleunigung der Implantatintegration in das Knochengewebe zu erreichen. Hierfür wurde eine spezielle Art der biomimetischen Beschichtung entwickelt, bei der biotinyliertes Fibronektin (bFn) über Streptavidin auf eine biotinylierte TiOX-Modelloberfläche immobilisiert wurde. Die Biotinmodifizierung der TiOX-Oberfläche erfolgte hierbei über einen „Self-Assembly-Prozess“ durch sequenzielle Chemiesorption von N-(6-aminohexyl)aminopropyltrimethoxysilan sowie verschiedenen Sulfo-NHS-Biotin-Derivaten, welche den Aufbau einer Streptavidin-Monolage ermöglichten. Als ein wichtiges Resultat zeigte sich, dass die Streptavidin-Monolage effektiv die unspezifische Adsorption von Proteinen an die TiOX-Oberfläche unterbindet und hierdurch die Adhäsion von Osteoblasten auf dieser unterdrückt. Dies hat den Vorteil, dass auf eine antiadhäsive Basisbeschichtung, welche für eine spezifische Zellreaktion wichtig ist, verzichtet werden kann. Dieses osteoblastere Adhäsionsverhalten änderte sich signifikant nach Anbindung von bFn an die Streptavidin-Monolage, mit dem Ergebnis, einer drastischen Steigerung der Osteoblastenadhäsion. Weiterhin besaßen Osteoblasten auf diesen Oberflächen ein Proteinexpressionsmuster, das auf eine erhöhte Osteoinduktion schließen lässt. Es zeigte sich darüber hinaus eine verstärkte Zelladhäsion sowie eine Steigerung des osteoinduktiven Effekts auf Substraten, bei denen bFn über eine Streptavidin-Monolage immobilisiert wurde, gegenüber mit nativem Fibronektin (Fn) modifizierten TiOX-Oberflächen. Ein wesentlicher Schwerpunkt bestand daher in der Analyse der Zusammensetzung und Struktur der biomimetischen Beschichtung über „Surface Plasmon Spectroscopy“ und „Atomic Force Microscopy“. Diese ergab, dass bFn und natives Fn auf den jeweiligen Oberflächen eine unterschiedliche Konformation einnimmt. Im Gegensatz zu nativem Fn, das bei der Adsorption unter physiologischen Bedingungen auf TiOX-Oberflächen eine kompakte Konformation besitzt, nimmt bFn auf einer Streptavidin-Monolage eine entfaltete Konformation ein. Bei letzterer handelt es sich um dieselbe, welche Fn in vivo innerhalb der extrazellulären Matrix besitzt. Sie unterscheidet sich von der kompakten Fn-Konformation dahingehend, dass entlang der Fn-Achse weitere Proteinbindestellen zugänglich werden und hierdurch die Zellaffinität von Fn gesteigert wird. Die nachgewiesene Konformationsänderung kann somit als Grund für die gesteigerte Osteoblasten-Adhäsion und Aktivität auf Oberflächen mit bFn angenommen werden. Diese Kenntnisse konnten weiterhin für die Optimierung des biomimetischen Schichtsystems genutzt werden. So war es möglich, durch alternierendes Inkubieren der Biotin-aktivierten Oberfläche mit Streptavidin und bFn, ein Multilayersystem gezielt aufzubauen. Der Vorteil dieses Multilayersystems gegenüber einer einfachen Monolage aus bFn besteht in einer erhöhten Stabilität der biomimetischen Beschichtung, wodurch eine Anwendung in der Praxis erleichtert würde.