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

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

FaSSIF-C, a Cholesterol containing biorelevant intestinal model medium for development and test of oral drug formulations

Biorelevante Medien sind entwickelt worden, um die Bedingungen im Magen-Darm-Trakt vor und nach der Mahlzeit zu imitieren. Mit FaSSIF und FeSSIF wurden Medien eingeführt, die nicht nur die pH- und Puffer-Kapazität des Dünndarms widerspiegeln, sondern auch Lipid und physiologische Tensid-Arten enthalten. Diese Medien (FaSSIF-V2 und FaSSlFmod6.5) wurden für Bioverfügbarkeitstudien in der Medikamentenentwicklung im Laufe der Jahre kontinuierlich weiterentwickelt. Dennoch sind die auf dem Markt verfügbaren Medien immer noch nicht in der Lage, die realen physiologischen Bedingungen zu simulieren. In der jetzigen Zusammensetzung sind nicht alle Kompetenten enthalten, welche natürlicher Weise im Duodenum vorkommen. Darüber hinaus wird nur eine 1:5 Verdünnung von FeSSIF zu FaSSIF angenommen, die individuelle Wasserzufuhr bei Medikamentengabe wird hierdurch jedoch nur eingeschränkt simuliert, obwohl diese von Patient zu Patient schwanken kann. rnZiel dieser Dissertation war die Verbesserung der Vorhersage der Auflösung und Absorption lipophiler Arzneistoffe durch Simulation der Bedingungen im zweiten Teil des Zwölffingerdarms mit neuen biorelevanten Medien, sowie unter Einwirkung zusätzlicher Detergention als Wirkstoffträger. rnUm den Effekt der Verdünnungsrate und Zeit im Dünndarm zu untersuchen, wurde die Entwicklung der Nanopartikel in der Magen-Darm-Flüssigkeit FaSSIFmod6.5 zu verschiedenen Zeitpunkten und Wassergehalten untersucht. Dafür wurden kinetische Studien an verschieden konzentrierten Modellmedien nach Verdünnungssprung untersucht. Das Modell entspricht der Vermischung der Gallenflüssigkeit mit dem Darminhalt bei variablem Volumen. Die Ergebnisse zeigen, dass Art und Größe der Nanopartikel stark von Verdünnung und Einirkungszeit abhängen. rnrnDie menschliche Darmflüssigkeit enthält Cholesterin, welches in allen früheren Modellmedien fehlt. Daher wurden biokompatible und physiologische Modellflüssigkeiten, FaSSIF-C, entwickelt. Der Cholesteringehalt von FaSSIF - 7C entspricht der Gallenflüssigkeit einer gesunden Frau, FaSSIF - 10C der einer gesunden männlichen Person und FaSSIF - 13C der in einigen Krankheitszuständen. Die intestinale Teilchen-Struktur-Untersuchung mit dynamische Lichtstreuung (DLS) und Neutronen-Kleinwinkelstreuung (SANS) ergab, dass die Korngröße von Vesikeln mit zunehmender Cholesterin-Konzentration abnahm. Zu hohe Cholesterin-Konzentration bewirkte zusätzlich sehr große Partikel, welche vermutlich aus Cholesterin-reichen “Disks“ bestehen. Die Löslichkeiten einiger BCS Klasse II Wirkstoffe (Fenofibrat, Griseofulvin, Carbamazepin, Danazol) in diesen neuen Medien zeigten, dass die Löslichkeit in unterschiedlicher Weise mit der Cholesteringehalt zusammen hing und dieser Effekt selektiv für die Droge war. rnDarüber hinaus wurde die Wirkung von einigen Tensiden auf die kolloidale Struktur und Löslichkeit von Fenofibrat in FaSSIFmod6.5 und FaSSIF -7C untersucht. Struktur und Löslichkeit waren Tensid- und Konzentrations-abhängig. Im Falle von FaSSIFmod6.5 zeigten die Ergebnisse eine dreifache Verzweigung der Lösungswege. Im Bereich mittlerer Tensidkonzentration wurde eine Löslichkeitslücke der Droge zwischen der Zerstörung der Galle-Liposomen und der Bildung von Tensid-reichen Mizellen beobachtet. In FaSSIF - 7C, zerstörten Tenside in höherer Konzentration die Liposomenstruktur trotz der allgemeinen Stabilisierung der Membranen durch Cholesterin. rnDie in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse ergeben, dass die Anwesenheit von Cholesterin als eine fehlende Komponente der menschlichen Darmflüssigkeit in biorelevanten Medien wichtig ist und dazu beitragen kann, das in vivo Verhalten schwerlöslicher Arzneistoffe im Körper besser vorhersagen zu können. Der Verdünnungsgrad hat einen Einfluss auf die Nanopartikel-Struktur und Tenside beeinflussen die Löslichkeit von Medikamenten in biorelevanten Medien: Dieser Effekt ist sowohl von der Konzentration das Tensids abhängig, als auch dessen Typ.rnrn

Lysyl oxidase expression is an independent marker of prognosis and a predictor of lymph node metastasis in oral and oropharyngeal squamous cell carcinoma (OSCC)

Proteins of the lysyl oxidase (LOX) family are important modulators of the extracellular matrix. However, they have an important role in the tumour development as well as in tumour progression. To evaluate the diagnostic and prognostic value of the LOX protein in oral and oropharyngeal squamous cell carcinoma (OSCC) we performed QRT-PCR and immunohistochemical analysis on two tissue microarrays (622 tissue samples in total). Significantly higher LOX expression was detected in high grade dysplastic oral mucosa as well as in OSCC when compared to normal oral mucosa (P < 0.001). High LOX expression was correlated with clinical TNM stage (P = 0.020), lymph node metastases for the entire cohort (P < 0.001), as well as in the subgroup of small primary tumours (T1/T2, P < 0.001). Moreover, high LOX expression was correlated with poor overall survival (P = 0.004) and disease specific survival (P = 0.037). In a multivariate analysis, high LOX expression was an independent prognostic factor, predicting unfavourable overall survival. In summary, LOX expression is an independent prognostic biomarker and a predictor of lymph node metastasis in OSCC. Moreover, LOX overexpression may be an early phenomenon in the pathogenesis of OSCC and thus an attractive novel target for chemopreventive and therapeutic strategies.

Expression, localization, and functional model of cholesterol transporters in lactating and nonlactating mammary tissues of murine, bovine, and human origin

Members of the ATP-binding cassette (ABC) transporters play a pivotal role in cellular lipid efflux. To identify candidate cholesterol transporters implicated in lipid homeostasis and mammary gland (MG) physiology, we compared expression and localization of ABCA1, ABCG1, and ABCA7 and their regulatory genes in mammary tissues of different species during the pregnancy-lactation cycle. Murine and bovine mammary glands (MGs) were investigated during different functional stages. The abundance of mRNAs was determined by quantitative RT-PCR. Furthermore, transporter proteins were localized in murine, bovine, and human MGs by immunohistochemistry. In the murine MG, ABCA1 mRNA abundance was elevated during nonlactating compared with lactating stages, whereas ABCA7 and ABCA1 mRNA profiles were not altered. In the bovine MG, ABCA1, ABCG1, and ABCA7 mRNAs abundances were increased during nonlactating stages compared with lactation. Furthermore, associations between mRNA levels of transporters and their regulatory genes LXRalpha, PPARgamma, and SREBPs were found. ABCA1, ABCG1, and ABCA7 proteins were localized in glandular MG epithelial cells (MEC) during lactation, whereas during nonlactating stages, depending on species, the proteins showed distinct localization patterns in MEC and adipocytes. Our results demonstrate that ABCA1, ABCG1, and ABCA7 are differentially expressed between lactation and nonlactating stages and in association with regulatory genes. Combined expression and localization data suggest that the selected cholesterol transporters are universal MG transporters involved in transport and storage of cholesterol and in lipid homeostasis of MEC. Because of the species-specific expression patterns of transporters in mammary tissue, mechanisms of cholesterol homeostasis seem to be differentially regulated between species.

Polyunsaturated fatty acid-enriched diets used for the treatment of canine chronic enteropathies decrease the abundance of selected genes of cholesterol homeostasis

Lipids are important for cell function and survival, but abnormal concentrations may lead to various diseases. Cholesterol homeostasis is greatly dependent on the active transport by membrane proteins, whose activities coordinate lipid status with cellular function. Intestinal Niemann-Pick C1-Like 1 protein (NPC1L1) and scavenger receptor B1 (SR-B1) participate in the uptake of extracellular cholesterol, whereas ATP binding cassette A1 (ABCA1) mediates the efflux of excessive intracellular cholesterol. Caveolin-1 binds cholesterol and fatty acids (FA) and participates in cholesterol trafficking. Sterol response element binding protein-2 (SREBP-2) is a sensor that regulates intracellular cholesterol synthesis. Given that cholesterol is a constituent of chylomicrons, whose synthesis is enhanced with an increased FA supply, we tested the hypothesis that feeding polyunsaturated FA (PUFA)-enriched diets in treatment of canine chronic enteropathies alters the mRNA expression of genes involved in cholesterol homeostasis. Using quantitative reverse transcriptase polymerase chain reaction (RT-PCR), we compared the mRNA abundance of NPC1L1, SR-B1, ABCA1, caveolin-1, and SREBP-2 in duodenal mucosal biopsies of dogs with food-responsive diarrhea (FRD; n=14) and inflammatory bowel disease (IBD; n=7) before and after treatment with cholesterol-free PUFA-enriched diets and in healthy controls (n=14). The abundance of caveolin-1, ABCA1, and SREBP-2 were altered by PUFA-enriched diets (P<0.05), whereas that of NPC1L1 and SR-B1 mRNA remained unchanged. The gene expression of caveolin-1, ABCA1, and SREBP-2 was down-regulated (P<0.05) by PUFA-enriched diets in IBD dogs only. Our results suggest that feeding PUFA-enriched diets may alter cholesterol homeostasis in duodenal mucosal cells of dogs suffering from IBD.

Identification of ABCA1 and ABCG1 in milk fat globules and mammary cells--implications for milk cholesterol secretion

The ATP-binding cassette (ABC) transporters ABCA1 and ABCG1 play an important role in cellular cholesterol homeostasis, but their function in mammary gland (MG) tissue remains elusive. A bovine MG model that allows repeated MG sampling in identical animals at different functional stages was used to test whether 1) ABCA1 and ABCG1 protein expression and subcellular localization in mammary epithelial cells (MEC) change during the pregnancy-lactation cycle, and 2) these 2 proteins were present in milk fat globules (MFG). Expression and localization in MEC were investigated in bovine MG tissues at the end of lactation, during the dry period (DP), and early lactation using immunohistochemical and immunofluorescence approaches. The presence of ABCA1 and ABCG1 in MFG isolated from fresh milk was determined by immunofluorescence. The ABCA1 protein expression in MEC, expressed as arbitrary units, was higher during the end of lactation (12.2±0.24) and the DP (12.5±0.22) as compared with during early lactation (10.2±0.65). In contrast, no significant change in ABCG1 expression existed between the stages. Throughout the cycle, ABCA1 and ABCG1 were detected in the apical (41.9±24.8 and 49.0±4.96% of cows, respectively), basal (56.2±28.1 and 54.6±7.78% of cows, respectively), or entire cytoplasm (56.8±13.4 and 61.6±14.4% of cows, respectively) of MEC, or showed combined localization. Unlike ABCG1, ABCA1 was absent at the apical aspect of MEC during early lactation. Immunolabeling experiments revealed the presence of ABCA1 and ABCG1 in MFG membranes. Findings suggest a differential, functional stage-dependent role of ABCA1 and ABCG1 in cholesterol homeostasis of the MG epithelium. The presence of ABCA1 and ABCG1 in MFG membranes suggests that these proteins are involved in cholesterol exchange between MEC and alveolar milk.

Additive effect of homocysteine- and cholesterol-lowering therapy on endothelium-dependent vasodilation in patients with cardiovascular disease

Endothelial dysfunction is a marker for development and progression of atherosclerosis. Statin therapy improves endothelial function in cardiovascular patients by reducing LDL-cholesterol and by pleiotropic effects. B-group vitamin supplementation restores endothelial function mainly by reducing homocysteine-induced oxidative stress. Thus, we evaluated the effect of rosuvastatin, B-group vitamins and their combination on endothelial function in high-risk cardiovascular patients.

Effects of a 2-y dietary weight-loss intervention on cholesterol metabolism in moderately obese men

Long-term dietary weight loss results in complex metabolic changes. However, its effect on cholesterol metabolism in obese subjects is still unclear.

Deletion of P399_E401 in NADPH cytochrome P450 oxidoreductase results in partial mixed oxidase deficiency

P450 oxidoreductase (POR) is the electron donor for all microsomal P450s including steroidogenic enzymes CYP17A1, CYP19A1 and CYP21A2. We found a novel POR mutation P399_E401del in two unrelated Turkish patients with 46,XX disorder of sexual development. Recombinant POR proteins were produced in yeast and tested for their ability to support steroid metabolizing P450 activities. In comparison to wild-type POR, the P399_E401del protein was found to decrease catalytic efficiency of 21-hydroxylation of progesterone by 68%, 17α-hydroxylation of progesterone by 76%, 17,20-lyase action on 17OH-pregnenolone by 69%, aromatization of androstenedione by 85% and cytochrome c reduction activity by 80%. Protein structure analysis of the three amino acid deletion P399_E401 revealed reduced stability and flexibility of the mutant. In conclusion, P399_E401del is a novel mutation in POR that provides valuable genotype-phenotype and structure-function correlation for mutations in a different region of POR compared to previous studies. Characterization of P399_E401del provides further insight into specificity of different P450s for interaction with POR as well as nature of metabolic disruptions caused by more pronounced effect on specific P450s like CYP17A1 and aromatase.

Identification of the bovine Arachnomelia mutation by massively parallel sequencing implicates sulfite oxidase (SUOX) in bone development

Arachnomelia is a monogenic recessive defect of skeletal development in cattle. The causative mutation was previously mapped to a approximately 7 Mb interval on chromosome 5. Here we show that array-based sequence capture and massively parallel sequencing technology, combined with the typical family structure in livestock populations, facilitates the identification of the causative mutation. We re-sequenced the entire critical interval in a healthy partially inbred cow carrying one copy of the critical chromosome segment in its ancestral state and one copy of the same segment with the arachnomelia mutation, and we detected a single heterozygous position. The genetic makeup of several partially inbred cattle provides extremely strong support for the causality of this mutation. The mutation represents a single base insertion leading to a premature stop codon in the coding sequence of the SUOX gene and is perfectly associated with the arachnomelia phenotype. Our findings suggest an important role for sulfite oxidase in bone development.

Cholesteryl ester accumulation and accelerated cholesterol absorption in intestine-specific hormone sensitive lipase-null mice

Hormone sensitive lipase (HSL) regulates the hydrolysis of acylglycerols and cholesteryl esters (CE) in various cells and organs, including enterocytes of the small intestine. The physiological role of this enzyme in enterocytes, however, stayed elusive. In the present study we generated mice lacking HSL exclusively in the small intestine (HSLiKO) to investigate the impact of HSL deficiency on intestinal lipid metabolism and the consequences on whole body lipid homeostasis. Chow diet-fed HSLiKO mice showed unchanged plasma lipid concentrations. In addition, feeding with high fat/high cholesterol (HF/HC) diet led to unaltered triglyceride but increased plasma cholesterol concentrations and CE accumulation in the small intestine. The same effect was observed after an acute cholesterol load. Gavaging of radioactively labeled cholesterol resulted in increased abundance of radioactivity in plasma, liver and small intestine of HSLiKO mice 4h post-gavaging. However, cholesterol absorption determined by the fecal dual-isotope ratio method revealed no significant difference, suggesting that HSLiKO mice take up the same amount of cholesterol but in an accelerated manner. mRNA expression levels of genes involved in intestinal cholesterol transport and esterification were unchanged but we observed downregulation of HMG-CoA reductase and synthase and consequently less intestinal cholesterol biosynthesis. Taken together our study demonstrates that the lack of intestinal HSL leads to CE accumulation in the small intestine, accelerated cholesterol absorption and decreased cholesterol biosynthesis, indicating that HSL plays an important role in intestinal cholesterol homeostasis.

Mycophenolate acid inhibits endothelial NAD(P)H oxidase activity and superoxide formation by a Rac1-dependent mechanism

Endothelial dysfunction precedes hypertension and atherosclerosis and predicts cardiac allograft vasculopathy and death in heart transplant recipients. Endothelial overproduction of reactive oxygen species, such as superoxide anions produced by NAD(P)H oxidase, induces endothelial dysfunction. Because immunosuppressive drugs have been associated with increased reactive oxygen species production and endothelial dysfunction, we sought to elucidate the underlying mechanisms. Reactive oxygen species, release of superoxide anions, and NAD(P)H oxidase activity were studied in human umbilical vein endothelial cells and in polymorphonuclear neutrophils. Gp91ds-tat was used to specifically block NAD(P)H oxidase. Transcriptional activation of different subunits of NAD(P)H oxidase was assessed by real-time RT-PCR. Rac1 subunit translocation and activation were studied by membrane fractionation and pull-down assays. Calcineurin inhibitors significantly increased endothelial superoxide anions production because of NAD(P)H oxidase, whereas mycophenolate acid (MPA) blocked it. MPA also attenuated the respiratory burst induced by neutrophil NAD(P)H oxidase. Because transcriptional activation of NAD(P)H oxidase was not affected, but addition of guanosine restored endothelial superoxide anions formation after MPA treatment, we speculate that the inhibitory effect of MPA was mediated by depletion of cellular guanosine triphosphate content. This prevented activation of Rac1 and, thus, of endothelial NAD(P)H oxidase. Because all heart transplant recipients are at risk for cardiac allograft vasculopathy development, these differential effects of immunosuppressants on endothelial oxidative stress should be considered in the choice of immunosuppressive drugs.