Effetti del chitosano su composti polifenolici in colture cellulari di vite: aspetti molecolari e metabolici

Polyphenols, including flavonoids and stilbenes, are an essential part of human diet and constitute one of the most abundant and ubiquitous group of plant secondary metabolites. The level of these compounds is inducible by stress or fungal attack, so attempts are being made to identify likely biotic and abiotic elicitors and to better understand the underlying mechanism. Resveratrol (3,5,4���-trihydroxystilbene), which belongs to the stilbene family, is a naturally occurring polyphenol, found in several fruits, vegetables and beverages including red wine. It is one of the most important plant polyphenols with proved benefic activity on animal health. In the last two decades, the potential protective effects of resveratrol against cardiovascular and neurodegenerative diseases, as well as the chemopreventive properties against cancer, have been largely investigated. The most important source of polyphenols and in particular resveratrol for human diet is grape (Vitis vinifera). Since stilbenes and flavonoids play a very important role in plant defence responses and enviromental interactions, and their effects on human health seem promising, the aim of the research of this Thesis was to study at different levels the activation and the regulation of their biosynthetic pathways after chitosan treatment. Moreover, the polyphenol production in grape cells and the optimisation of cultural conditions bioreactor scale-up, were also investigated. Cell suspensions were obtained from cv. Barbera (Vitis vinifera L.) petioles and were treated with a biotic elicitor, chitosan (50 ��g/mL, dissolved in acetic acid) to promote phenylpropanoid metabolism. Chitosan is a D-glucosamine polymer from fungi cell wall and therefore mimes fungal pathogen attack. Liquid cultures have been monitored for 15 days, measuring cell number, cell viability, pH and grams of fresh weight. The endogenous and released amounts of 7 stilbenes (trans and cis isomers of resveratrol, piceid and resveratroloside, and piceatannol), gallic acid, 6 hydroxycinnamic acids (trans-cinnamic, p-coumaric, caffeic, ferulic, sinapic and chlorogenic acids), 5 catechines (catechin, epicatechin, epigallocatechin-gallate (EGCG), epigallocatechin and epicatechin-gallate) and other 5 flavonoids (chalcon, naringenin, kaempferol, quercetin and rutin) in cells and cultural medium, were measured by HPLC-DAD analysis and total anthocyanins were quantified by spectrophotometric analysis. Chitosan was effective in stimulating trans-resveratrol endogenous accumulation with a sharp peak at day 4 (exceeding acetic acid and water controls by 36% and 63%, respectively), while it did not influence the production of the cis-isomer. Compared to both water and acetic acid controls, chitosan decreased the release of both trans- and cis-resveratrol respect to controls. No effect was shown on the accumulation of single resveratrol mono-glucoside isomers, but considering their total amount, normalized for the relative water control, it was possible to evidence an increase in both accumulation and release of those compounds, in chitosan-treated cells, throughout the culture period and particularly during the second week. Many of the analysed flavonoids and hydroxycinnamic acids were not present or detectable in trace amounts. Catechin, epicatechin and epigallocatechin-gallate (EGCG) were detectable both inside the cells and in the culture media, but chitosan did not affect their amounts. On the contrary, total anthocyanins have been stimulated by chitosan and their level, from day 4 to 14, was about 2-fold higher than in both controls, confirming macroscopic observations that treated suspensions showed an intense brown-red color, from day 3 onwards. These elicitation results suggest that chitosan selectively up-regulates specific biosynthetic pathways, without modifying the general accumulation pattern of other flavonoids. Proteins have been extracted from cells at day 4 of culture (corresponding to the production peak of trans-resveratrol) and separated by bidimensional electrophoresis. The 73 proteins that showed a consistently changed amount between untreated, chitosan and acetic acid (chitosan solvent) treated cells, have been identified by mass spectrometry. Chitosan induced an increase in stilbene synthase (STS, the resveratrol biosynthetic enzyme), chalcone-flavanone isomerase (CHI, that switches the pathway from chalcones to flavones and anthocyanins), pathogenesis-related proteins 10 (PRs10, a large family of defence proteins), and a decrease in many proteins belonging to primary metabolisms. A train of six distinct spots of STS encoded by the same gene and increased by chitosan, was detected on the 2-D gels, and related to the different phosphorylation degree of STS spots. Northern blot analyses have been performed on RNA extracted from cells treated with chitosan and relative controls, using probes for STS, PAL (phenylalanine ammonia lyase, the first enzyme of the biosynthetic pathway), CHS (chalcone synthase, that shares with STS the same precursors), CHI and PR-10. The up-regulation of PAL, CHS and CHI transcript expression levels correlated with the accumulation of anthocyanins. The strong increase of different molecular weight PR-10 mRNAs, correlated with the 11 PR-10 protein spots identified in proteomic analyses. The sudden decrease in trans-resveratrol endogenous accumulation after day 4 of culture, could be simply explained by the diminished resveratrol biosynthetic activity due to the lower amount of biosynthetic enzymes. This might be indirectly demonstrated by northern blot expression analyses, that showed lower levels of phenylalanine ammonia lyase (PAL) and stilbene synthase (STS) mRNAs starting from day 4. Other possible explanations could be a resveratrol oxidation process and/or the formation of other different mono-, di-glucosides and resveratrol oligomers such as viniferins. Immunolocalisation experiments performed on grape protoplasts and the subsequent analyses by confocal microscope, showed that STS, and therefore the resveratrol synthetic site, is mostly associated to intracellular membranes close to the cytosolic side of plasma membrane and in a smaller amount is localized in the cytosol. STS seemed not to be present inside vacuole and nucleus. There were no differences in the STS intracellular localisation between the different treatments. Since it was shown that stilbenes are largely released in the culture medium and that STS is a soluble protein, a possible interaction of STS with a plasma membrane transporter responsible for the extrusion of stilbenes in the culture medium, might be hypothesized. Proteomic analyses performed on subcellular fractions identified in the microsomial fraction 5 proteins taking part in channel complexes or associated with channels, that significantly changed their amount after chitosan treatment. In soluble and membrane fractions respectively 3 and 4 STS and 6 and 3 PR-10 have been identified. Proteomic results obtained from subcellular fractions substantially confirmed previous result obtained from total cell protein extracts and added more information about protein localisation and co-localisation. The interesting results obtained on Barbera cell cultures with the aim to increase polyphenol (especially stilbenes) production, have encouraged scale up tests in 1 litre bioreactors. The first trial fermentation was performed in parallel with a normal time-course in 20 mL flasks, showing that the scale-up (bigger volume and different conditions) process influenced in a very relevant way stilbenes production. In order to optimise culture parameters such as medium sucrose amount, fermentation length and inoculum cell concentration, few other fermentations were performed. Chitosan treatments were also performed. The modification of each parameter brought relevant variations in stilbenes and catechins levels, so that the production of a certain compound (or class of compounds) could be hypothetically promoted by modulating one or more culture parameters. For example the catechin yield could be improved by increasing sucrose content and the time of fermentation. The best results in stilbene yield were obtained in a 800 mL fermentation inoculated with 10.8 grams of cells and supplemented with chitosan. The culture was fed with MS medium added with 30 g/L sucrose, 25 ��g/mL rifampicin and 50 ��g/mL of chitosan, and was maintained at 24��C, stirred by marine impeller at 100 rpm and supplied of air at 0.16 L/min rate. Resveratroloside was the stilbene present in the larger amount, 3-5 times more than resveratrol. Because resveratrol glucosides are similarly active and more stable than free resveratrol, their production using a bioreactor could be a great advantage in an hypothetical industrial process. In my bioreactor tests, stilbenes were mainly released in the culture medium (60-80% of the total) and this fact could be another advantage for industrial applications, because it allows recovering the products directly from the culture medium without stopping the fermentation and/or killing the cells. In my best cultural conditions, it was possible to obtain 3.95 mg/L of stilbenes at day 4 (maximum resveratrol accumulation) and 5.13 mg/L at day 14 (maximum resveratroloside production). In conclusion, chitosan effect in inducing Vitis vinifera defense mechanisms can be related to its ability to increase the intracellular content of a large spectrum of antioxidants, and in particular of resveratrol, its derivates and anthocyanins. Its effect can be observed at transcriptional, proteomic (variation of soluble and membrane protein amounts) and metabolic (polyphenols production) level. The chitosan ability to elicit specific plant matabolisms can be useful to produce large quantities of antioxidant compounds from cell culture in bioreactor.

Identificazione delle Lamine di tipo A come nuovi substrati della protein chinasi Akt/PKB

Akt (also called PKB) is a 63 kDa serine/threonine kinase involved in promotion of cell survival, proliferation a nd metabolic responses downstream the phosphoinositide-3-kinase (PI 3-kinase) signaling pathway. In resting cells, Akt is a predominantly cytosolic enzyme; however generation of PI 3-kinase lipid products recruits Akt to the plasma membrane, resulting in a conformational change which confers full enzymatic activity through the phosphorylation of the membrane-bound protein at two residues, Thr308, and Ser473. Activated Akt redistributes to cytoplasm and nucleus, where phosphorylation of specific substrates occurs. Both the presence and the activity of Akt in the nucleus have been described. An interesting mechanism that mediates nuclear translocation of Akt has been described in human mature T-cell leukemia: the product of TCL1 gene, Tcl1, interacts with the PH domain of phosphorylated Akt, thus driving Akt to the nucleus. In this context, Tcl1 may act as a direct transporter of Akt or may contribute to the formation of a complex that promotes the transport of active Akt to the nucleus, where it can phosphorylate nuclear substrates. A well described nuclear substrate if Foxo. IGF-1 triggers phosphorylation of Foxo by Akt inside the nucleus, where phospho-Foxo associates to 14.3.3 proteins that, in turn, promote its export to the cytoplasm where it is sequestered. Remarkably, Foxo phosphorylation by Akt has been shown to be a crucial event in Akt-dependent myogenesis. However, most Akt nuclear substrates have so far remained elusive, as well as nuclear Akt functions. This lack of information prompted us to undertake a search of substrates of Akt in the nucleus, by the combined use of 2D-separation/mass spectrometry and anti-Akt-phosphosubstrate antibody. This study presents evidence of A-type lamins as novel nuclear substrates of Akt. Lamins are type V intermediate filaments proteins found in the nucleus of higher eukaryotes where, together with lamin-binding proteins, they form the lamina at the nuclear envelope, providing mechanical stability for the nuclear membrane. By coimmunoprecipitation, it is demonstrated here that endogenous lamin A and Akt interact, and that A-type lamins are phosphorylated by Akt both in vitro and in vivo. Moreover, by phosphoaminoacid analysis and mutagenesis, it is further demonstrated that Akt phosphorylates lamin A at Ser404, and, more importantly, that while lamin A/C phosphorylation is stable throughout the cell cycle, phosphorylation of the precursor prelamin A becomes detectable as cells enter the G2 phase, picking at G2/M. This study also shows that lamin phosphorylation by Akt creates a binding site for 14.3.3 adaptors which, in turn, promote prelamin A degradation. While this mechanism is in agreement with a general role of Akt in the regulation of a subset of its substrates, opposite to what has been described, degradation is not mediated through a ubiquitination and proteasomal mechanism but through a lysosomal pathway, as indicated by the reverting action of the lysosomal inhibitor cloroquine. Phosphorylation is a key event in the mitotic breakdown of the nuclear lamina. However, the kinases and the precise sites of phosphorylation are scarcely known. Therefore, these results represent an important breakthrough in this very significant but understudied area. The phosphorylation of the precursor protein prelamin A and its subsequent degradation at G2/M, when both the nuclear envelop and the nuclear lamina disassemble, can be view as part of a mechanism to dispose off the precursor that is not needed in this precise context. The recently reported finding that patients affected by Emery-Dreifuss muscular dystrophy carry a mutation at Arg 401, in the Akt phosphorylation motif, open new perspective that warrant further investigation in this very important field.

B-type cytochromes of the DOMON domain superfamily (Novel redox elements of plant plasma membrane)

The aim of the present study is understanding the properties of a new group of redox proteins having in common a DOMON-type domain with characteristics of cytochromes b. The superfamily of proteins containing a DOMON of this type includes a few protein families. With the aim of better characterizing this new protein family, the present work addresses both a CyDOM protein (a cytochrome b561) and a protein only comprised of DOMON(AIR12), both of plant origin. Apoplastic ascorbate can be regenerated from monodehydroascorbate by a trans-plasma membrane redox system which uses cytosolic ascorbate as a reductant and comprises a high potential cytochrome b. We identified the major plasma membrane (PM) ascorbate-reducible b-type cytochrome of bean (Phaseolus vulgaris) and soybean (Glycine max) hypocotyls as orthologs of Arabidopsis auxin-responsive gene air12. The protein, which is glycosylated and glycosylphosphatidylinositol-anchored to the external side of the PM in vivo, was expressed in Pichia pastoris in a recombinant form, lacking the glycosylphosphatidylinositol-modification signal, and purified from the culture medium. Recombinant AIR12 is a soluble protein predicted to fold into a ��-sandwich domain and belonging to the DOMON superfamily. It is shown to be a b-type cytochrome with a symmetrical ��-band at 561 nm, to be fully reduced by ascorbate and fully oxidized by monodehydroascorbate. Redox potentiometry suggests that AIR12 binds two high-potential hemes (Em,7 +135 and +236 mV). Phylogenetic analyses reveal that the auxin-responsive genes AIR12 constitute a new family of plasma membrane b-type cytochromes specific to flowering plants. Although AIR12 is one of the few redox proteins of the PM characterized to date, the role of AIR12 in trans-PM electron transfer would imply interaction with other partners which are still to be identified. Another part of the present project was aimed at understanding of a soybean protein comprised of a DOMON fused with a well-defined b561 cytochrome domain (CyDOM). Various bioinformatic approaches show this protein to be composed of an N-terminal DOMON followed by b561 domain. The latter contains five transmembrane helices featuring highly conserved histidines, which might bind haem groups. The CyDOM has been cloned and expressed in the yeast Pichia pastoris, and spectroscopic analyses have been accomplished on solubilized yeast membranes. CyDOM clearly reveal the properties of b-type cytochrome. The results highlight the fact that CyDOM is clearly able to lead an electron flux through the plasmamembrane. Voltage clamp experiments demonstrate that Xenopus laevis oocytes transformed with CyDOM of soybean exhibit negative electrical currents in presence of an external electron acceptor. Analogous investigations were carried out with SDR2, a CyDOM of Drosophila melanogaster which shows an electron transport capacity even higher than plant CyDOM. As quoted above, these data reinforce those obtained in plant CyDOM on the one hand, and on the other hand allow to attribute to SDR2-like proteins the properties assigned to CyDOM. Was expressed in Regenerated tobacco roots, transiently transformed with infected a with chimeral construct GFP: CyDOM (by A. rhizogenes infection) reveals a plasmamembrane localization of CyDOM both in epidermal cells of the elongation zone of roots and in root hairs. In conclusion. Although the data presented here await to be expanded and in part clarified, it is safe to say they open a new perspective about the role of this group of proteins. The biological relevance of the functional and physiological implications of DOMON redox domains seems noteworthy, and it can but increase with future advances in research. Beyond the very finding, however interesting in itself, of DOMON domains as extracellular cytochromes, the present study testifies to the fact that cytochrome proteins containing DOMON domains of the type of ���CyDOM��� can transfer electrons through membranes and may represent the most important redox component of the plasmamembrane as yet discovered.

Untersuchungen zur Beteiligung der Preseniline an den molekularen Mechanismen der Amyloid-�� Entstehung

ZusammenfassungMorbus Alzheimer ist eine progressive, neurodegenerative Erkrankung, die weltweit die h��ufigste Form der Demenz darstellt und im mittleren bis sp��ten Lebensabschnitt auftritt. Die neuropathologischen Merkmale beinhalten das Auftreten von extrazellul��ren Ablagerungen aus fibrillogenem A��42 Peptiden in senilen Plaques und intraneuronalen Akkumulationen von hyperphosphoryliertem Tau in sogenannten neurofibrill��ren B��ndeln. Obwohl die meisten Alzheimer F��lle sporadisch und Alters-assoziiert auftreten, gibt es eine autosomal dominant vererbte Form (FAD; Familial Alzheimer Disease), die schon in einem fr��hen Lebensabschnitt (ab 28 Jahren) ausbrechen kann. Diese aggressive Alzheimer Form wird durch Mutationen im Amyloid-Precursor-Protein-Gen (APP) oder den Presenilin-Genen (PS-1 und PS-2) ausgel��st. Die Presenilin (PS) Proteine sind entscheidend an der Entstehung von A�� beteiligt. So erh��hen FAD-assoziierte Mutationen in PS-1 und PS-2 die Bildung von A��42. Au��erdem verhindern sowohl homozygote PS-1 Null-Mutationen (PS-1-/-) in transgenen M��usen, als auch dominant negative PS-1 Mutationen in Kulturzellen die Ab Bildung. Diese Belege sprechen f��r die zur Zeit favorisierte Amyloid Hypothese, in der die toxische Wirkung des A��-Peptides in der Entstehung der Alzheimer Erkrankung eine zentrale Rolle einnimmt. Die y-Sekretase ist eine Protease, deren Aktivit��t f��r die Entstehung von Ab aus dem Vorl��uferprotein APP essentiell ist. Damit bildet sie einen m��glichen Ansatzpunkt, um grundlegend in den Proze�� der Ab Bildung einzugreifen. Die y-Sekretase ist allerdings noch nicht identifiziert oder kloniert. Es gibt Hinweise, da�� die Preseniline y-Sekretase Aktivit��t besitzen k��nnten. Diese Theorie ist bis heute jedoch nicht eindeutig belegt. In dieser Arbeit sollten die molekularen Mechanismen der Ab Entstehung und insbesondere die Beteiligung der Preseniline an diesem Proze�� untersucht werden. Dazu wurde zun��chst die subzellul��re Verteilung der endogenen Preseniline analysiert. Es konnte erstmalig ein Unterschied in der subzellul��ren Verteilung zwischen PS-1 und PS-2 festgestellt werden. PS-1 war vorwiegend im ER lokalisiert, wogegen PS-2 stark im Golgi-Apparat angereichert war. Im zweiten Teil der Arbeit wurde nach m��glichen Interaktionen der Preseniline mit C-terminalen APP Fragmenten gesucht, die die Substrate der y-Sekretase darstellen. Es konnte gezeigt werden, da�� die Preseniline mit einem 21 kDa gro��en C-terminalen APP Fragment interagieren. Dabei band die Mutante-Form der Preseniline mehr C-terminales APP Fragment als die Wildtyp-Form. Weiterhin wurde ein zellfreies System zur indirekten Bestimmung der y-Sekretase Aktivit��t etabliert. Mit Hilfe dieses Systems wird es m��glich, Inhibitoren der y-Sekretase zu identifizieren. Die Spezifit��t des zellfreien Testsystems konnte dadurch deutlich gemacht werden, da�� das PS-1, das schon in Zellkultur als essentielle Proteinkomponente zur Entstehung von A�� beschrieben wurde, auch in diesem zellfreien y-Sekretase System notwendig war. Allgemeine Proteaseinhibitoren, die alle bekannten Proteasemechanismen abdeckten, zeigten keinen Einflu�� auf die de novo Bildung von A��. Es konnte festgestellt werden, da�� neben der y-Sekretase als A�� produzierende Protease auch A�� abbauende Proteasen vorlagen. Das pH-Optimum der y-Sekretase wurde im neutralen Bereich festgestellt. Weiterhin konnte gezeigt werden, da�� die y-Sekretase eine transmembrane oder zumindest membranassoziierte Protease ist, die keine cytosolischen Komponenten ben��tigt.

Ectomycorrhizae of sessile oak (Quercus petraea (Matt.) Liebl.)

Investigations were performed during the years 1999 to 2001 on a limed and unlimed plot within a high-elevated sessile oak forest. The oak forest (with 90 years old European beech at the understorey) was 170 to 197 years old. It is located at forest district Merzalben, location 04/0705, which is situated in the Palatinate Forest in south-west Germany. Liming was performed in December 1988 when 6 tons/ha of powdered Dolomite were brought up by the forestry department. Liming was performed to counteract the effects of soil acidification (pH(H2O) at Horizon A (0-10 cm): 3.9), which is induced by long-term (anthropogenic) acidic cloud cover and precipitation. Potentially toxic Al3+ ions, which become solubilized below pH 5, were suspected to be responsible for forest dieback and sudden death of the mature oaks. The most logical entry point for these toxic ions was suspected to occur in the highly absorptive region of the ectomycorrhizae (fungal covered root tips). However, the diversity and abundance of oak-ectomycorrhizal species and their actual roles in aluminum translocation (or blockage) were unknown. It was hypothesized that the ectomycorrhizae of sessile oaks in a limed forest would exhibit greater seasonal diversity and abundance with less evidence of incorporated aluminum than similar oak ectomycorrhizae from unlimed soils. To test this hypothesis, 12 oaks in the limed plot and 12 in an adjacent unlimed plot were selected. Each spring and fall for 2 years (1999 & 2000), 2 sets of soil cylinders (9.9 cm dia.) were extracted from Horizon A (0-10 cm), Horizon B (30-40 cm) and Horizon C (50-60 cm depth) at a distance of 1 meter from each tree base. Roots were extracted from each probe by gentle sieving and rinsing. Soil samples were retained for pH (H2O, CaCl2, and KCl) and moisture analysis. One set of roots was sorted by size and air-dried for biomass analysis. The finest mycorrhizal roots of this set were used for bound and unbound (cytosolic) mineral [Al, Ca, Mg, K, Na, Mn, S, Zn, Fe, Cd and Pb] analysis (by Landwirtschaftliche Untersuchungs- und Forschungsanstalt Rheinland Palatinate (LUFA)). Within 7 days of collection, the mycorrhizal tips from the second set of probes were excised, sorted, identified (using Agerer���s Color Atlas), counted and weighed. Seasonal diversity and abundance was characterized for 50 of the 93 isolates. The location and relative abundance of Al within the fungal and root cell walls was characterized for 68 species using 0.01% Morin dye and fluorescence microscopy. Morin complexes with Al to produce an intense yellow fluorescence. The 4 most common species (Cenococcum geophilum, Quercirhiza fibulocsytidiata, Lactarius subdulcis, Piceirhiza chordata) were prepared for bound Al, Ca, Fe and K mineral analysis by LUFA. The unlimed and limed plots were then compared. Only 46 of the 93 isolated ectomycorrhizal species had been previously associated with oaks in the literature. Mycorrhizal biomass was most abundant in Horizon A, declining with depth, drought and progressive soil acidification. Mycorrhizae were most diverse (32 species) in the limed plot, but individual species abundance was low (R Selection) in comparison to the unlimed plot, where there were fewer species (24) but each species present was abundant (K Selection). Liming increased diversity and altered dominance hierarchy, seasonal distributions and succession trends of ectomycorrhizae at all depths. Despite an expected reduction in Al content, the limed ectomycorrhizae both qualitatively (fluorescence analysis) and quantitatively (mineral analysis) contained more bound Al, especially so in Horizon A. The Al content qualitatively and quantitatively increased with depth in the unlimed and limed plots. The bound Al content fluctuated between 4000-and 20000 ppm while the unbound component was consistently lower (4 -14 ppm). The relative amount of unbound Al declined upon liming implying less availability for translocation to the crown area of the trees. This correspouds with the findings of good crown appearance and lower tree mortality in the limed zone. Each ectomycorrhizal species was unique in its ability to block, sequester (hold) or translocate Aluminum. In several species, Al uptake varied with changes in moisture, pH, depth and liming. According to the fluorescence study, about 48% of the isolated ectomycorrhizal species blocked and/or sequestered (held) Al in their mantle and/or Hartig net walls, qualitatively lowering bound Al in the adjacent root cell walls. Generally, if Al was more concentrated in the fungal walls, it was less evident in the cortex and xylem and conversely, if Al was low or absent from the fungal walls it was frequently more evident in the cortex and xylem.

Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenstr��me an nozizeptiven Spinalganglienneuronen der Ratte

Die freien Endigungen von Spinalganglienneuronen sind f��r die Detektion schmerzhafter Reize verantwortlich. Dabei rufen thermische, chemische oder mechanische Reize Ionenstr��me ��ber die Membran und dadurch Membranpotential��nderungen hervor. Diese noxisch induzierten Str��me sind in gro��em Ausma�� durch chemische Substanzen und andere Reize modulierbar. Der Ionenkanal TRPV1 ist f��r die Detektion zahlreicher chemischer Reize und zumindest eines Teils der noxischen Hitzereize verantwortlich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden einige der Mechanismen gekl��rt, die zur schnellen Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenstr��me f��hren. Hierf��r wurden akut dissoziierte Spinalganglienneurone der Ratte als Modell ihrer peripheren Endigung verwendet und mittels Ganzzellableitung in der patch-clamp-Technik untersucht. Die Verwendung von Trypsin w��hrend der Pr��paration von Spinalganglienneuronen hat keinen funktionellen Einfluss auf hitze- oder capsaicininduzierte Str��me, verbessert aber die Untersuchungsbedingungen f��r das patch-clamp-Verfahren. Bei 144 akut dissoziierten Spinalganglienneuronen wurden die Stromantworten auf drei im Abstand von 40 s durch ��bersp��len mit 45,3 bis 46,3��C hei��er Extrazellularl��sung applizierte einsek��ndige Hitzereize gemessen. Dabei lie��en sich repetitiv reproduzierbare hitzeinduzierte Einw��rtsstr��me von etwa 160 pA erzielen; es konnte keine Tachyphylaxie und nahezu keine Inaktivierung beobachtet werden. Direkt vor dem zweiten Hitzereiz wurden die Neurone f��r zwei Sekunden mit Extrazellularl��sung ��bersp��lt, die Kontrolll��sung, 0,5 ��M Capsaicin, 10 ��M Natriumnitroprussid oder 10 ��M YC-1 enthielt. Es fand sich kein Hinweis, dass Stickstoffmonoxid oder die Guanylatzyklase einen signifikanten Beitrag zur Sensibilisierung von hitzeinduzierten Str��men in Spinalganglienneuronen leisten, wobei ein durch den Versuchsaufbau bedingtes Auswaschen zytosolischer Faktoren, die f��r den Signalweg notwendig sind, nicht ausgeschlossen werden kann. Bei einer Konzentration von 0,5 ��M l��st Capsaicin f��r zwei Sekunden einen sehr kleinen Einw��rtsstrom von etwa 33 pA aus und f��hrt innerhalb von zwei Sekunden zu einer schnell reversiblen Sensibilisierung von hitzeinduzierten Einw��rtsstr��men in Spinalganglienneuronen (p<0,01). Das Ausma�� der Sensibilisierung ist proportional zur Gr����e des capsaicininduzierten Stromes (r=���0,7, p<0,001). Konstant halten der intrazellul��ren Calciumkonzentration mittels des Calciumchelators BAPTA verhindert die capsaicininduzierte Sensibilisierung hitzeinduzierter Str��me an Spinalganglienneuronen. Demzufolge beruht die capsaicininduzierte Sensibilisierung trotz der schnellen Kinetik nicht auf einer synergistischen Wirkung der beiden Agonisten Capsaicin und Hitze auf ihren gemeinsamen Rezeptor; vielmehr ist sie von einer Erh��hung der intrazellul��ren freien Calciumkonzentration abh��ngig. Funktionelle ��nderungen der zellul��ren Funktion werden h��ufig durch Proteinkinasen vermittelt. Die zur Gruppe der MAP-Kinasen geh��rende ERK (extracellular signal related kinase) wird bei Membrandepolarisation und Calciumeinstrom in die Zelle durch MEK (MAPK/extracellular signal related kinase kinase) aktiviert. Blockade der MEK/ERK-Kaskade durch den spezifischen MEK-Hemmstoff U0126 f��hrt ebenfalls zu einer Aufhebung der Sensibilisierung der Hitzeantworten durch Capsaicin. Applikation von Capsaicin f��hrt innerhalb von zwei Sekunden zu einer schnell reversiblen Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenstr��me an nozizeptiven Spinalganglienneuronen. Diese Sensibilisierung wird durch einen Calciumeinstrom in die Zelle und die dadurch eintretende Aktivierung von Proteinkinasen hervorgerufen. Die MEK/ERK-Kaskade ist ein sehr schnell (deutlich unter 2 s) aktivierbares intrazellul��res Signalsystem, welches bei der Regulation der Empfindlichkeit nozizeptiver Spinalganglienneurone eine entscheidende Rolle spielt; die schnelle Kinetik ist dabei nur durch eine membranst��ndige oder zumindest membrannahe Lokalisation dieser Proteinkinasen erkl��rbar. Durch Applikation zehnsek��ndiger Hitzereize l��sst sich ebenfalls eine Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenstr��me ausl��sen, die ebenso ausgepr��gt ist, wie die Sensibilisierung durch 0,5 ��M Capsaicin (p<0,005). Durch das immer gr����ere Verst��ndnis der Funktionsweise des nozizeptiven Systems ergeben sich st��ndig neue Ans��tze f��r die Entwicklung neuer Analgetika. So k��nnte durch Modulation spezifischer intrazellul��rer Proteinkinasen der Phosphorylierungszustand und damit die Aktivierbarkeit von Ionenkan��len, die der Transduktion noxischer Reize dienen, positiv beeinflusst werden. Neuere, noch spezifischere Inhibitoren der MEK k��nnen der Forschung und sp��ter auch der Therapie neue M��glichkeiten er��ffnen.

Role of nitric oxide and endocannabinoids in synaptic plasticity in the perirhinal cortex and in visual recognition memory

Introduction and aims of the research Nitric oxide (NO) and endocannabinoids (eCBs) are major retrograde messengers, involved in synaptic plasticity (long-term potentiation, LTP, and long-term depression, LTD) in many brain areas (including hippocampus and neocortex), as well as in learning and memory processes. NO is synthesized by NO synthase (NOS) in response to increased cytosolic Ca2+ and mainly exerts its functions through soluble guanylate cyclase (sGC) and cGMP production. The main target of cGMP is the cGMP-dependent protein kinase (PKG). Activity-dependent release of eCBs in the CNS leads to the activation of the G��i/o-coupled cannabinoid receptor 1 (CB1) at both glutamatergic and inhibitory synapses. The perirhinal cortex (Prh) is a multimodal associative cortex of the temporal lobe, critically involved in visual recognition memory. LTD is proposed to be the cellular correlate underlying this form of memory. Cholinergic neurotransmission has been shown to play a critical role in both visual recognition memory and LTD in Prh. Moreover, visual recognition memory is one of the main cognitive functions impaired in the early stages of Alzheimer���s disease. The main aim of my research was to investigate the role of NO and ECBs in synaptic plasticity in rat Prh and in visual recognition memory. Part of this research was dedicated to the study of synaptic transmission and plasticity in a murine model (Tg2576) of Alzheimer���s disease. Methods Field potential recordings. Extracellular field potential recordings were carried out in horizontal Prh slices from Sprague-Dawley or Dark Agouti juvenile (p21-35) rats. LTD was induced with a single train of 3000 pulses delivered at 5 Hz (10 min), or via bath application of carbachol (Cch; 50 ��M) for 10 min. LTP was induced by theta-burst stimulation (TBS). In addition, input/output curves and 5Hz-LTD were carried out in Prh slices from 3 month-old Tg2576 mice and littermate controls. Behavioural experiments. The spontaneous novel object exploration task was performed in intra-Prh bilaterally cannulated adult Dark Agouti rats. Drugs or vehicle (saline) were directly infused into the Prh 15 min before training to verify the role of nNOS and CB1 in visual recognition memory acquisition. Object recognition memory was tested at 20 min and 24h after the end of the training phase. Results Electrophysiological experiments in Prh slices from juvenile rats showed that 5Hz-LTD is due to the activation of the NOS/sGC/PKG pathway, whereas Cch-LTD relies on NOS/sGC but not PKG activation. By contrast, NO does not appear to be involved in LTP in this preparation. Furthermore, I found that eCBs are involved in LTP induction, but not in basal synaptic transmission, 5Hz-LTD and Cch-LTD. Behavioural experiments demonstrated that the blockade of nNOS impairs rat visual recognition memory tested at 24 hours, but not at 20 min; however, the blockade of CB1 did not affect visual recognition memory acquisition tested at both time points specified. In three month-old Tg2576 mice, deficits in basal synaptic transmission and 5Hz-LTD were observed compared to littermate controls. Conclusions The results obtained in Prh slices from juvenile rats indicate that NO and CB1 play a role in the induction of LTD and LTP, respectively. These results are confirmed by the observation that nNOS, but not CB1, is involved in visual recognition memory acquisition. The preliminary results obtained in the murine model of Alzheimer���s disease indicate that deficits in synaptic transmission and plasticity occur very early in Prh; further investigations are required to characterize the molecular mechanisms underlying these deficits.

Induktion und Analyse spezifischer Immunantworten nach intranodaler Immunisierung mit RNA im murinen Modell

Die Wirksamkeit einer Vakzine ist von vielen Parametern abh��ngig. Dazu geh��ren unter anderen: das ausgew��hlte Antigen, die Formulation in der das Antigen benutzt wird sowie die Applikationsroute. Antigen-kodierende Ribonukleins��uren (RNA) gilt heutzutage als eine sichere und effiziente Alternative zu traditionellen Impfstoff-Formulierungen, wie Peptiden, rekombinanten Proteinen, viralen Systemen oder DNA basierten Impfstoffen. Bez��glich des Applikationsortes repr��sentiert der Lymphknoten ein optimales Milieu f��r die Interaktion zwischen antigenpr��sentierenden Zellen und T-Zellen. Vor diesem Hintergrund war die Zielsetzung dieser Arbeit, ein auf direktem in vivo Transfer von Antigen-kodierender in vitro transkribierter RNA (IVT-RNA) basierendes Impfverfahren zu entwickeln, zu charakterisieren und auf seine anti-tumorale Wirksamkeit zu testen. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass dendritische Zellen (DCs) in vitro hocheffizient mit IVT-RNA transfiziert werden k��nnen und eine hohe stimulatorische Kapazit��t besitzen. Durch Sequenzmodifikation der IVT-RNA konnten wir die Transkriptstabilit��t und Translationseffizienz erh��hen was zu einer Steigerung der stimulatorischen Kapazit��t in vivo f��hrte. Dar��ber hinaus untersuchten wir die Auswirkung der Insertion eines Signalpeptides 5��� sowie einer C-terminalen transmembran- und zytosolischen-Dom��ne eines MHC-Klasse-I-Molek��ls am 3��� der Antigen-kodierenden Sequenz auf die Effizienz der MHC-Klasse-I und -II Pr��sentation. Wir konnten in vitro und in vivo nachweisen, dass diese Modifikation zu einer gesteigerten, simultanen Stimulation von antigenspezifischen CD4+ und CD8+ T-Zellen f��hrt. Auf der Basis der optimierten Vektorkassetten etablierten wir die intranodale (i.n.) Transfektion von antigenpr��sentierenden Zellen in der Maus. Dazu nutzten wir verschiedene Reportersysteme (eGFP-RNA, fluoreszensmarkierte RNA) und konnten zeigen, dass die intranodale Applikation von IVT-RNA zu selektiven Transfektion und Maturation lymphknotenresidenter DCs f��hrt. Zur Untersuchung der immunologischen Effekte wurden in erster Linie auf Influenza-Hemagglutinin-A und Ovalbumin basierende Modellantigensysteme verwendet. Beide Antigene wurden als Antigen-MHC-Fusionskonstrukte genutzt. Als Responderzellen wurden TCR-transgene Lymphozyten verwendet, die MHC-Klasse-I oder -Klasse-II restringierte Epitope des Influenza-Hemagglutinin-A bzw. des Ovalbumin-Proteins erkennen. Wir konnten in vivo zeigen, dass die intranodale Immunisierung mit IVT-RNA zu einer effizienten Stimulation und Expansion von antigenspezifischen CD4+ und CD8+ T-Zellen in einer dosisabh��ngigen Weise f��hrt. Funktionell konnte gezeigt werden, dass diese T-Zellen Zytokine sezernieren und zur Zytolyse bef��higt sind. Wir waren in der Lage durch repetitive i.n. RNA Immunisierung ein ���Priming��� CD8+ T-Zellen in naiven M��usen sowohl gegen virale als auch gegen Tumor assoziierte Antigene zu erreichen. Die geprimten T-Zellen waren bef��higt eine zytolytische Aktivit��t gegen mit spezifischem Peptid beladene Targetzellen zu generieren. Dar��ber hinaus waren wir in der Lage Ged��chtnisszellen expandieren zu k��nnen. Abschlie��end konnten wir in Tumormodellen sowohl in prophylaktischen als auch in therapeutischen Experimenten zeigen dass die i.n. RNA Vakzination die Potenz zur Induktion einer anti-tumoralen Immunit��t besitzt.

Modulation der Genexpression und des neuronalen Zelltods durch das Amyloid-Vorl��ufer-Protein (APP)

Das Amyloid-Vorl��ufer-Protein (APP) spielt eine zentrale Rolle in der Entstehung und Entwicklung von Morbus Alzheimer. Hierbei ist die proteolytische Prozessierung von APP von entscheidender Bedeutung. Das Verh��ltnis von neurotoxischen und neuroprotektiven Spaltprodukten, die ��ber den amyloidogenen und nicht-amyloidogenen Weg der APP-Prozessierung gebildeten werden, ist f��r das ��berleben von Neuronen und deren Resistenz gegen zytotoxische Stress-Stimuli von hoher Relevanz. St��rungen der Calcium-Hom��ostase sind ein bekanntes Ph��nomen bei Morbus Alzheimer. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von ��berexprimiertem APP in der Regulation des neuronalen Zelltods nach Calcium Freisetzung untersucht. Die Calcium Freisetzung aus dem endoplasmatischen Retikulum wurde durch die Inhibition der sarko- und endoplasmatischen Calcium-ATPasen (SERCA) ausgel��st. Dies f��hrt zur Induktion der sogenannten ���unfolded protein response��� (UPR) und zu einer Aktivierung von Effektor-Caspasen. F��r APP-��berexprimierende PC12 Zellen konnte bereits zuvor eine im Vergleich zur Kontrolle nach der durch Calcium Freisetzung-induzierten Apoptose eine erh��hte intrazellul��re Calcium Konzentration nachgewiesen werden. ��ber die Messung der Aktivierung von Effektor-Caspasen konnte zudem ein gesteigerter Zelltod in den APP-��berexprimierenden Zellen gemessen werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass der pro-apoptotische Transkriptionsfaktor CHOP, nicht aber die klassischen UPR-Zielgene spezifisch hochreguliert wurden. Die APP-modulierte gesteigerte Induktion von Apoptose nach Calcium Freisezung konnte durch Komplexierung der intrazellul��ren Calcium Ionen und durch Knockdown von CHOP im Vergleich zur Kontrolle g��nzlich unterdr��ckt werden. Ferner bewirkte die Inhibition der Speicher-aktivierten Calcium-Kan��len (SOCC) eine signifikante Unterdr��ckung der beobachteten erh��hten intrazellul��ren Calcium Konzentration und der gesteigerten Apoptose in den APP-��berexprimierenden PC12 Zellen. In diesem Teil der Arbeit konnte eindeutig gezeigt werden, dass APP in der Lage ist den durch Calcium-Freisetzung-induzierten Zelltod zu potenzieren. Diese Modulation durch APP verl��uft in einer UPR-unabh��ngigen Reaktion ��ber die Aktivierung von SOCC���s, einer erh��hten Aufnahme von extrazellul��rem Calcium und durch erh��hte Induktion des pro-apoptotischen Transkriptionsfaktors CHOP. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die sAPP��-vermittelte Neuroprotektion untersucht. Dabei handelt es sich um die N-terminale Ektodom��ne von APP, die ��ber die Aktivit��t der ��-Sekretase prozessiert wird und anschlie��end extrazellul��r abgegeben wird. Ziel dieser Versuchsreihe war die neuroprotektive physiologische Funktion von APP im Hinblick auf den Schutz von neuronalen Zellen vor diversen f��r Morbus Alzheimer relevanten Stress-Stimuli bzw. Apoptose-Stimuli zu untersuchen. Durch die Analyse der Effektor-Caspasen konnte gezeigt werden, dass sAPP�� in der Lage ist PC12 Zellen potent vor oxidativem Stress, DNA-Sch��den, Hypoxie, proteasomalem Stress und Calcium-Freisetzung zu sch��tzen. Au��erdem konnte gezeigt werden, dass sAPP�� in der Lage ist den pro-apoptotischen Stress-induzierten JNK/Akt-Signalweg zu inhibieren. Eine Beteiligung des anti-apoptotischen PI3K/Akt-Signalwegs bei der sAPP��-vermittelten Protektion konnte ��ber die Inhibition der PI3-Kinase ebenfalls demonstriert werden, die eine Aufhebung der sAPP��-vermittelten Neuroprotektion bewirkte. Diese Daten zeigen neue molekulare Mechanismen auf, die dem sAPP��-vermittelten Schutz vor pathophysiologisch relevanten Stress-Stimuli in neuronalen Zellen zugrunde liegen. Im letzten Teil der Arbeit wurden verschieden Gruppen von pharmakologischen Substanzen im Hinblick auf ihre neuroprotektive Wirkung untersucht und mit ihren Effekten auf den APP-Metabolismus korreliert. Die Untersuchungen ergaben, dass Galantamin, ein schwacher Acetycholinesterase Inhibitor und allosterisch potenzierender Ligand von nikotinischen Acetylcholin-Rezeptoren in der Lage war, naive, und mit noch h��herer Effizienz APP-��berexprimierende Zelllinien vor dem Stress-induzierten Zelltod zu sch��tzen. Zudem bewirkte Galantamin in APP-��berexprimierenden HEK293 Zellen eine rasche Erh��hung der sAPP�� Sekretion, so dass hier von einer Rezeptor-vermittelten Modulation des APP Metabolismus ausgegangen werden kann. Omega-3 Fetts��uren wirken sich positiv auf die Membranfluidit��t von Zellen aus und es konnte bereits gezeigt werden, dass die Bildung des toxischen A�� Peptids hierdurch vermindert wird. In Analogie zu Galantamin sch��tzte die Omega-3 Fetts��ure Docosahexaens��ure (DHA) neuronale Zellen vor dem Stress-induzierten Zelltod, wobei der Schutz in APP-��berexprimierenden Zellen besonders effizient war. Diese Daten legen nahe, dass die Aktivierung des antiamyloidogenen Wegs der APP-Prozessierung ein viel versprechender Ansatz f��r die Entwicklung neuer Therapien gegen Morbus Alzheimer sein k��nnte.

Analysis of the influence of epitope flanking regions on MHC class I restricted antigen presentation

Peptides presented by MHC class I molecules for CTL recognition are derived mainly from cytosolic proteins. For antigen presentation on the cell surface, epitopes require correct processing by cytosolic and ER proteases, efficient TAP transport and MHC class I binding affinity. The efficiency of epitope generation depends not only on the epitope itself, but also on its flanking regions. In this project, the influence of the C-terminal region of the model epitope SIINFEKL (S8L) from chicken ovalbumin (aa 257-264) on antigen processing has been investigated. S8L is a well characterized epitope presented on the murine MHC class I molecule, H-2Kb. The Flp-In 293Kb cell line was transfected with different constructs each enabling the expression of the S8L sequence with different defined C-terminal flanking regions. The constructs differed at the two first C-terminal positions after the S8L epitope, so called P1��� and P2���. At these sites, all 20 amino acids were exchanged consecutively and tested for their influence on H-2Kb/S8L presentation on the cell surface of the Flp-In 293Kb cells. The detection of this complex was performed by immunostaining and flow cytometry. The prevailing assumption is that proteasomal cleavages are exclusively responsible for the generation of the final C-termini of CTL epitopes. Nevertheless, recent publications showed that TPPII (tripeptidyl peptidase II) is required for the generation of the correct C-terminus of the HLA-A3-restricted HIV epitope Nef(73-82). With this background, the dependence of the S8L generation on proteasomal cleavage of the designed constructs was characterized using proteasomal inhibitors. The results obtained indicate that it is crucial for proteasomal cleavage, which amino acid is flanking the C-terminus of an epitope. Furthermore, partially proteasome independent S8L generation from specific S8L-precursor peptides was observed. Hence, the possibility of other existing endo- or carboxy-peptidases in the cytosol that could be involved in the correct trimming of the C-terminus of antigenic peptides for MHC class I presentation was investigated, performing specific knockdowns and using inhibitors against the target peptidases. In parallel, a purification strategy to identify the novel peptidase was established. The purified peaks showing an endopeptidase activity were further analyzed by mass spectrometry and some potential peptidases (like e.g. Lon) were identified, which have to be further characterized.

Respiratory chain complex I dysfunction in tumorigenesis

Diseases due to mutations in mitochondrial DNA probably represent the most common form of metabolic disorders, including cancer, as highlighted in the last years. Approximately 300 mtDNA alterations have been identified as the genetic cause of mitochondrial diseases and one-third of these alterations are located in the coding genes for OXPHOS proteins. Despite progress in identification of their molecular mechanisms, little has been done with regard to the therapy. Recently, a particular gene therapy approach, namely allotopic expression, has been proposed and optimized, although the results obtained are rather controversial. In fact, this approach consists in synthesis of a wild-type version of mutated OXPHOS protein in the cytosolic compartment and in its import into mitochondria, but the available evidence is based only on the partial phenotype rescue and not on the demonstration of effective incorporation of the functional protein into respiratory complexes. In the present study, we took advantage of a previously analyzed cell model bearing the m.3571insC mutation in MTND1 gene for the ND1 subunit of respiratory chain complex I. This frame-shift mutation induces in fact translation of a truncated ND1 protein then degraded, causing complex I disassembly, and for this reason not in competition with that allotopically expressed. We show here that allotopic ND1 protein is correctly imported into mitochondria and incorporated in complex I, promoting its proper assembly and rescue of its function. This result allowed us to further confirm what we have previously demonstrated about the role of complex I in tumorigenesis process. Injection of the allotopic clone in nude mice showed indeed that the rescue of complex I assembly and function increases tumor growth, inducing stabilization of HIF1��, the master regulator of tumoral progression, and consequently its downstream gene expression activation.

Clostridium difficile: Entdeckung und Charakterisierung der autokatalytischen Prozessierung von Toxin B

Clostridium difficile, der Ausl��ser der nosokomialen Antibiotika-assoziierten Durchf��lle und der Pseudomembran��sen Kolitis, besitzt zwei Hauptvirulenzfaktoren: die Toxine A und B. In vorangegangenen Ver��ffentlichungen wurde gezeigt, dass Toxin B durch einen zytosolischen Faktor der eukaryotischen Zielzelle w��hrend des Aufnahmeweges in die Zelle gespalten wird. Nur die N-terminale katalytische Dom��ne erreicht das Zytosol. Hierbei wurde davon ausgegangen, dass eine Protease der Zielzelle die Spaltung katalysiert. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Spaltung von Toxin B ein intramolekularer Prozess ist, der zytosolisches Inositolphosphat der Zielzelle als Kofaktor zur Aktivierung der intrinsischen Protease ben��tigt. Die Freisetzung der katalytischen Dom��ne durch Inositolphosphat-induzierte Spaltung ist nicht nur das Prinzip des Clostridium difficile Toxin B sondern auch des Toxin A, als auch des alpha Toxin von Clostridium novyi und das Letale Toxin von Clostridium sordellii. Der kovalente Inhibitor von Aspartatproteasen 1,2-epoxy-3-(p-nitrophenoxy)propan (EPNP), wurde dazu verwendet die intrinsische Protease von Toxin B zu blockieren und erm��glichte die Identifikation des katalytischen Zentrums. EPNP modifiziertes Toxin B verliert die intrinsische Proteaseaktivit��t und Zytotoxizit��t, aber wenn es direkt in das Zytosol der Wirtszelle injiziert ist, bleibt die Toxizit��t erhalten. Diese ist damit der erste Bericht eines bakteriellen Toxins, das eukaryotische Signale zur induzierten Autoproteolyse nutzt, um seine katalytisch-toxische Dom��ne in das Zytosol der Zielzelle freizusetzen. Durch diese Ergebnisse kann das Modell der Toxin-Prozessierung nun um einen weiteren entscheidenden Schritt vervollst��ndigt werden.

Charakterisierung zellul��rer Interaktionspartner des gro��en H��llproteins des Hepatitis-B-Virus

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand das gro��e L-H��llprotein (L) des Hepatitis B - Virus. L bildet eine ungew��hnliche duale Topologie in der ER-Membran aus, welche auch im reifen Viruspartikel erhalten bleibt. In einem partiellen, posttranslationalen Reifungsprozess wird die sogenannte Pr��S-Region von der zytosolischen Seite der Membran aus in das ER-Lumen transloziert. Aufgrund seiner dualen Topologie und der damit verbundenen Multifunktionalit��t ��bernimmt L eine Schl��sselfunktion im viralen Lebenszyklus. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit lag deshalb darin, neue zellul��re Interaktionspartner des L-H��llproteins zu identifizieren. Ihre Analyse sollte helfen, das Zusammenspiel des Virus mit der Wirtszelle besser zu verstehen. Hierf��r wurde das Split - Ubiquitin Hefe - Zwei - Hybrid System eingesetzt, das die Interaktionsanalyse von Membranproteinen und Membran-assoziierten Proteinen erm��glicht. Zwei der neu identifizierten Interaktionspartner, der v-SNARE Bet1 und Sec24A, die Cargo-bindende Untereinheit des CoPII-vermittelten vesikul��ren Transports, wurden weitergehend im humanen Zellkultursystem untersucht. Sowohl f��r Bet1 als auch f��r Sec24A konnte die Interaktion mit dem L-H��llprotein best��tigt und der Bindungsbereich eingegrenzt werden. Die Depletion des endogenen Bet1 reduzierte die Freisetzung L-haltiger, nicht aber S-haltiger subviraler Partikel (SVP) deutlich. Im Gegensatz zu Bet1 interagierte Sec24A auch mit dem mittleren M- und kleinen S-H��llprotein von HBV. Die Inhibition des CoPII-vermittelten vesikul��ren Transportweges durch kombinierte Depletion der vier Sec24 Isoformen blockierte die Freisetzung sowohl L- als auch S-haltiger SVP. Dies bedeutet, dass die HBV - H��llproteine das ER CoPII-vermittelt verlassen, wobei sie aktiv Kontakt zur Cargo-bindenden Untereinheit Sec24A aufnehmen. Der effiziente Export der H��llproteine aus dem ER ist f��r die Virusmorphogenese und somit f��r den HBV - Lebenszyklus essentiell. rnEin weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit basierte auf der Interaktion des L-H��llproteins mit dem ER-luminalen Chaperon BiP. In der vorliegenden Arbeit wurde ��berpr��ft, ob BiP, ��hnlich wie das zytosolische Chaperon Hsc70, an der Ausbildung der dualen Topologie des L-H��llproteins beteiligt ist. Hierf��r wurde BiP durch die ektopische Expression seiner Ko-Chaperone BAP und ERdj4 in seiner Substrat-bindenen Kapazit��t manipuliert. ERdj4, ein Mitglied der Hsp40 - Proteinfamilie, stimuliert die ATPase-Aktivit��t von BiP, was die Substratbindung stabilisiert. Der Nukleotid - Austauschfaktor BAP hingegen vermittelt die Aufl��sung des BiP - Substrat - Komplexes. Die Auswirkung der ver��nderten in vivo-Aktivit��t von BiP auf die posttranslationale Pr��S-Translokation wurde mit Proteaseschutz - Versuchen untersucht. Die ektopische Expression des positiven als auch des negativen Regulators von BiP resultierte in einer drastischen Reduktion der posttranslationalen Pr��S-Translokation. Ein vergleichbarer Effekt wurde nach Manipulation des BiP ATPase - Zyklus durch Depletion der zellul��ren ATP - Konzentration beobachtet. Dies spricht daf��r, dass das ER-luminale Chaperon BiP, zusammen mit Hsc70, eine zentrale Rolle in der Ausbildung der dualen Topologie des L-H��llproteins spielt. rnZwei weitere Proteine, Sec62 und Sec63, die sich f��r die posttranslationale Translokation in der Hefe als essentiell erwiesen haben, wurden in die Analyse der dualen Topologie des L-H��llproteins einbezogen. Interessanterweise konnte eine rein luminale Ausrichtung der Pr��S-Region nach kombinierter Depletion des endogenen Sec62 und Sec63 beobachtet werden. Dies deutet an, dass sowohl Sec62 als auch Sec63 an der Ausbildung der dualen Topologie des L-H��llproteins beteiligt sind. In Analogie zur Posttranslokation der Hefe k��nnte Sec62 als Translokon-assoziierter Rezeptor f��r Substrate der Posttranslokation, und damit der Pr��S-Region, dienen. Sec63 k��nnte mit seiner J-Dom��ne BiP zum Translokon rekrutieren und daraufhin dessen Substrat-bindende Aktivit��t stimulieren. BiP w��rde dann, einer molekularen Ratsche gleich, die Pr��S-Region durch wiederholtes Binden und Freisetzen aktiv in das ER-Lumen hereinziehen, bis eine stabile duale Topologie des L-H��llproteins ausgebildet ist. Die Bedeutung von Sec62 und Sec63 f��r den HBV - Lebenszyklus wird dadurch untermauert, dass sowohl die ektopische Expression als auch die Depletion des endogenen Sec63 die Freisetzung L-haltiger SVP deutlich reduziert. rn

Lysosomaler Transport kationischer Aminos��uren durch Mitglieder der SLC7-Familie

Lysosomaler Transport kationischer Aminos��uren (KAS) stellt einen Rettungsweg in der Cystinose-Therapie dar. Ein solches Transportsystem wurde in humanen Hautfibroblasten beschrieben und mit System c benannt. Des Weiteren stellt lysosomales Arginin eine Substratquelle f��r die endotheliale NO-Synthase (eNOS) dar. Das von der eNOS gebildete NO ist ein wichtiges vasoprotektiv wirkendes Signalmolek��l. Ziel war es daher, herauszufinden, ob Mitglieder der SLC7-Unterfamilie hCAT m��glicherweise System c repr��sentieren.rnIn dieser Arbeit konnte ich die lysosomale Lokalisation verschiedener endogener, sowie als EGFP-Fusionsproteine ��berexprimierter CAT-Isoformen nachweisen. Mittels Fluoreszenz-mikroskopie wurde festgestellt, dass die in U373MG-Zellen ��berexprimierten Fusionsproteine hCAT-1.EGFP sowie SLC7A14.EGFP mit dem lysosomalen Fluoreszenz-Farbstoff LysoTracker co-lokalisieren. Eine Lokalisation in Mitochondrien oder dem endoplasmatischem Retikulum konnte mit entsprechenden Fluoreszenz-Farbstoffen ausgeschlossen werden. Zus��tzlich reicherten sich die ��berexprimierten Proteine hCAT-1.EGFP, hCAT-2B.EGFP und SLC7A14.EGFP in der lysosomalen Fraktion C aus U373MG-Zellen zusammen mit den lysosomalen Markern LAMP-1 und Cathepsin D an. Gleiches galt f��r den endogenen hCAT-1 in der lysosomalen Fraktion C aus EA.hy926- und U373MG-Zellen sowie f��r den SLC7A14 in den humanen Hautfibroblasten FCys5. Mit dem im Rahmen dieser Arbeit generierte Antik��rper gegen natives SLC7A14 konnte erstmals die endogene Expression und Lokalisation von SLC7A14 in verschiedenen Zelltypen analysiert werden.rnObwohl eine Herunterregulation des hCAT-1 in EA.hy926-Endothelzellen nicht zu einer Reduktion der Versorgung der eNOS mit lysosomalem Arginin f��hrte, ist eine Funktion von hCAT-1 im Lysosom wahrscheinlich. Sowohl die [3H]Arginin- als auch die [3H]Lysin-Aufnahme der Fraktion C aus U373MG-hCAT-1.EGFP war signifikant h��her als in die Fraktion C aus EGFP-Kontrollzellen. Dies konnte ebenfalls f��r den hCAT-2B.EGFP gezeigt werden. Zus��tzlich zeigten lysosomale Proben aus U373MG-hCAT-2B.EGFP-Zellen in der SSM-basierten Elektrophysiologie eine elektrogene Transportaktivit��t f��r Arginin. Das Protein SLC7A14.EGFP zeigte in keiner der beiden durchgef��hrten Transportstudien eine Aktivit��t. Dies war unerwartet, da die aus der Diplomarbeit stammende und im Rahmen dieser Dissertation erweiterte Charakterisierung der hCAT-2/A14_BK-Chim��re, die die ���funktionelle Dom��ne��� des SLC7A14 im R��ckgrat des hCAT-2 trug, zuvor den Verdacht erh��rtet hatte, dass SLC7A14 ein lysosomal lokalisierter Transporter f��r KAS sein k��nnte. Diese Studien zeigten allerding erstmals, dass die ���funktionelle Dom��ne��� der hCATs die pH-Abh��ngigkeit vermittelt und eine Rolle in der Substraterkennung spielt.rnZuk��nftig soll weiter versucht werden auch endogen eine Transportaktivit��t der hCATs f��r KAS im Lysosom nachzuweisen und das Substrat f��r das intrazellul��r lokalisierte Waisen-Protein SLC7A14 zu finden. Eine m��gliche Rolle k��nnte SLC7A14 als Transporter f��r Neurotransmitter spielen, da eine sehr prominente Expression im ZNS festgestellt wurde.rn

Funktionelle Analyse der Plasmamembran-Ca 2+-ATPase 2 -PMCA2- in Modellen der Neurodegeneration

Calcium (Ca2+) ist ein ubiquit��r vorkommendes Signalmolek��l, das an der Regulation zahlreicher zellul��rer Prozesse, von der Proliferation bis zum programmierten Zelltod, beteiligt ist. Daher m��ssen die intrazellul��ren Ca2+-Spiegel streng kontrolliert werden. Ver��nderungen der Ca2+-Hom��ostase w��hrend der altersassoziierten Neurodegeneration k��nnen dazu beitragen, dass Neuronen vulnerabler sind. So wurden erh��hte Ca2+-Konzentrationen in gealterten Neuronen, begleitet von einer erh��hten Vulnerabilit��t, beobachtet (Hajieva et al., 2009a). Weiterhin wird angenommen, dass der selektive Untergang von dopaminergen Neuronen bei der Parkinson Erkrankung auf eine erh��hte Ca2+-Last zur��ckzuf��hren sein k��nnte, da diese Neuronen einem st��ndigen Ca2+-Influx,rnaufgrund einer besonderen Isoform (CaV 1.3) spannungsgesteuerter Ca2+-Kan��le des L-Typs, ausgesetzt sind (Chan et al., 2007). Bislang wurden die molekularen Mechanismen, die einem Ca2+-Anstieg zu Grunde liegen und dessen Auswirkung jedoch nicht vollst��ndig aufgekl��rt und daher in der vorliegenden Arbeit untersucht. Um Ver��nderungen der Ca2+-Hom��ostase w��hrend der altersassoziiertenrnNeurodegeneration zu analysieren wurden prim��re Mittelhirnzellen aus Rattenembryonen und SH-SY5Y-Neuroblastomazellen mit dem Neurotoxin 1-Methyl-4-Phenyl-Pyridin (MPP+), das bei der Etablierung von Modellen der Parkinson-Erkrankung breite Anwendung findet, behandelt. Ver��nderungen der intrazellul��ren Ca2+-Konzentration wurden mit einem auf dem gr��n fluoreszierenden Protein (GFP)-basierten Ca2+-Indikator,rn���Cameleon cpYC 3.6��� (Nagai et al., 2004), ermittelt. Dabei wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass MPP+ die Abregulation der neuronenspezifischen ATP-abh��ngigen Ca2+-Pumpe der Plasmamembran (PMCA2) induziert, die mit der Ca2+-ATPase des endoplasmatischen Retikulums (SERCA) und dem Na+/Ca2+-Austauscher (NCX) das zellul��re Ca2+-Effluxsystem bildet, was zu einer erh��hten zytosolischen Ca2+-Konzentration f��hrt. Die PMCA2-Abnahme wurde sowohl auf Transkriptionsebene als auch auf Proteinebene demonstriert, w��hrend keine signifikanten Ver��nderungen der SERCA- und NCX-Proteinmengen festgestellt wurden. Als Ursache der Reduktion der PMCA2-Expression wurde eine Abnahme des Transkriptionsfaktors Phospho-CREB ermittelt, dessen Phosphorylierungsstatus abh��ngig von der Proteinkinase A (PKA) war. Dieser Mechanismus wurde einerseits unter MPP+-Einfluss und andererseits vermittelt durch endogene molekulare Modulatoren gezeigt. Interessanterweise konnten die durch MPP+ induzierte PMCA2-Abregulation und der zytosolische Ca2+-Anstieg durch die Aktivierung der PKA verhindert werden. Parallel dazu wurde eine MPP+-abh��ngige verringerte mitochondriale Ca2+-Konzentration nachgewiesen, welche mit einer Abnahme des mitochondrialen Membranpotentials korrelierte. Dar��ber hinaus kam es als Folge der PMCA2-Abnahme zu einem verminderten neuronalen ��berleben.rnVer��nderungen der Ca2+-Hom��ostase wurden auch w��hrend der normalen Alterung inrnprim��ren Fibroblasten und bei M��usen nachgewiesen. Dabei wurden verringerte PMCA und SERCA-Proteinmengen in gealterten Fibroblasten, einhergehend mit einem Anstieg der zytosolischen Ca2+-Konzentration demonstriert. Weiterhin wurden verringerte PMCA2-Proteinmengen im Mittelhirn von gealterten M��usen (C57B/6) detektiert.rnDer zellul��re Ca2+-Efflux ist somit sowohl im Zuge der physiologischen Alterung als auch in einem altersbezogenen Krankheitsmodell beeintr��chtigt, was das neuronale ��berleben beeinflussen kann. In zuk��nftige Studien soll aufgekl��rt werden, welche Auswirkungen einer PMCA2-Reduktion genau zu dem Verlust von Neuronen f��hren bzw. ob durch eine PMCA2-��berexpression neurodegenerative Prozesse verhindert werden k��nnen.