Einfluss des Aktin-Zytoskeletts und intrazellulärer Signalkaskaden auf die postsynaptische Lokalisation von Gephyrin

Neuronen haben für die Informationsübertragung untereinander spezielle Strukturen entwickelt, welche als Synapsen bezeichnet werden. Um eine schnelle und präzise synaptische Signalübertragung zu gewährleisten, ist eine hohe Konzentration von Neurotransmitter-regulierten Ionenkanälen in der postsynaptischen Plasmamembran notwendig. Die spezifische Verankerung der Rezeptoren wird durch intrazelluläre Proteine der Postsynapse vermittelt. Das periphere Membranprotein Gephyrin spielt eine essentielle Rolle in der synaptischen Lokalisation von Glyzin- und GABAA-Rezeptoren an inhibitorischen Synapsen. Um das postsynaptische Netzwerk zu stabilisieren, ist eine Interaktion von Gephyrin mit Proteinen der Mikrofilamente und der Mikrotubuli nötig. In der vorliegenden Arbeit sollte analysiert werden, wie Gephyrin mit dem Aktin-Zytoskelett interagiert, und ob die Größe und Stabilität neuronaler Gephyrincluster durch das Aktin-Zytoskelett reguliert wird. Dies wurde mittels Expression von GFP-Gephyrin-Konstrukten in HEK293T-Zellen und Aktin-depolymerisierende Alkaloidbehandlung von hippokampalen Primärkulturzellen untersucht. Der Einfluss unterschiedlicher Signalkaskaden auf die Lokalisation und Funktionalität von GABAA- oder Glyzin-Rezeptoren wurde bereits intensiv untersucht, jedoch für Rezeptor-assoziierte Proteine wie Gephyrin existierten nur wenig relevante Daten. Ein weiteres Ziel war daher, durch pharmakologische Beeinflussung von Schlüsselenzymen in hippokampalen Primärkulturen jene Signalwege zu identifizieren, die am Transport von Gephyrin, seiner Stabilisierung im postsynaptischen Netzwerk und seinem Abbau beteiligt sind. Im Verlauf der Arbeit konnte belegt werden, dass das Aktin-regulierende Phosphoprotein ena/VASP als Adapter die Interaktion von Gephyrin mit F-Aktin vermittelt, und dass diese Bindung ausreicht, um Gephyrin an das Aktin-Zytoskelett zu rekrutieren. Entgegen früheren Veröffentlichungen konnte die Bindung von ena/VASP im Bereich der sog. Linkerregion von Gephyrin nachgewiesen werden. Aktin-depolymerisierende Alkaloidbehandlungen von hippokampalen Neuronen bestätigten, das die Lokalisation von Gephyrin an sich entwickelnden inhibitorischen Kontakten von einem intakten Mikrofilamentsystem abhängig zu sein scheint. Das Aktin-Zytoskelett könnte somit eine transiente Rolle in der Ausbildung und Stabilisierung des Gephyrin-Netzwerkes in der frühen Entwicklung von inhibitorischen GABAergen Synapsen haben, während die Abhängigkeit der synaptisch-lokalisierten Gephyrincluster vom Aktin-Zytoskelett mit steigender neuronaler Differenzierung abnimmt. Zusätzlich konnte erstmals der Einfluss einzelner Signaltransduktionskaskaden auf die synaptische Lokalisation von Gephyrin nachgewiesen werden. Dabei hatte die Inhibition der Protein- Phosphatasen 1 und 2A eine Destabilisierung synaptisch-lokalisierter Gephyrincluster bei gleichzeitigem Anstieg der zytoplasmatischen Immunreaktivität zur Folge. Dies ist möglicherweise auf eine Hyperphosphorylierung wichtiger Sequenzabschnitten von Gephyrin zurückzuführen, wobei Änderungen im Phosphorylierungsstatus der Linkerregion von Gephyrin unter anderem die Assoziation mit dem Zytoskelett beeinträchtigen oder lösen könnten. Umgekehrt könnte eine Dephosphorylierung möglicherweise die Stabilität der Vernetzung erhöht. Kopräzipitationsstudien konnten zusätzlich nachweisen, dass Gephyrin, PP1 und PP2A nicht nur gemeinsam an inhibitorischen Synapsen vorliegen, sondern dass eine direkte Interaktion besteht. Dabei handelt es sich um den ersten Nachweis einer direkten Bindung von Gephyrin an Ser/Thr-Phosphatasen. Die Komplexbildung von PP1 und PP2A mit Gephyrin könnten der Regulation des Phosphorylierungsgrades dienen. Der genaue Mechanismus wird jedoch in weiteren Experimenten zu untersuchen sein.

Analysen zur molekularen Charakterisierung von Proteinen des humanen Usher-Syndroms und Evaluation genbasierter Therapiestrategien

Analysen zur molekularen Charakterisierung von Proteinen des humanen Usher-Syndroms und Evaluation genbasierter Therapiestrategien rnDas humane Usher Syndrom (USH) ist die häufigste Form vererbter Taub-Blindheit. In der vorliegenden Dissertation wurde diese komplexe Erkrankung auf verschiedenen Ebenen analysiert: in Arbeiten zur Expression und Lokalisation von USH-Proteinen, der Analyse der USH-Proteinnetzwerke und deren Funktionen sowie darauf aufbauend die Entwicklung von Therapiestrategien für USH.rnIm Rahmen der Arbeit wurde die Expression und (sub)-zelluläre Lokalisation des USH1D-Genproduktes CDH23 in der Retina und Cochlea analysiert. CDH23-Isoformen werden in der Maus zeitlich und räumlich differentiell exprimiert. In den Retinae von Mäusen, nicht humanen Primaten und Menschen zeigten Analysen eine unterschiedliche Expression und Lokalisation des Zell-Zelladhäsionsmoleküls CDH23, was auf Funktions-unterschiede der einzelnen Isoformen in den analysierten Spezies hindeutet.rnAnalysen zur Aufklärung der USH-Proteinnetzwerke ergaben eine potentielle Interaktion des USH1G-Gerüstproteins SANS mit dem Golgi- und Centrosom-assoziierten Protein Myomegalin. Die direkte Interaktion der Proteine konnte durch unabhängige Experimente verifiziert werden. Beide Interaktionspartner sind in den Retinae verschiedener Spezies partiell ko-lokalisiert und partizipieren im periciliären USH-Proteinnetzwerk. Die Assoziation von SANS und Myomegalin mit dem Mikrotubuli-Cytoskelett weist auf eine Funktion des Proteinkomplexes in gerichteten Transportprozessen innerhalb der Photorezeptoren hin und bekräftigt die Hypothese einer Rolle von SANS und assoziierten Netzwerken mit Transportprozessen.rnDas hier gewonnene erweiterte Verständnis der molekularen Grundlagen sowie die Aufklärung der zellulären Funktion der Proteinnetzwerke ermöglichen die Entwicklung therapeutischer Strategien für USH. Ein Fokus der vorliegenden Arbeit lag auf der Entwicklung genbasierter Therapiestrategien und deren Evaluation, wobei der Schwerpunkt auf der Therapiestrategie der Genreparatur lag. Die mit Hilfe von Zinkfinger-Nukleasen (ZFN) induzierte Homologe Rekombination für die Genkorrektur wurde exemplarisch an der 91C>T/p.R31X-Mutation im USH1C-Gen gezeigt. Effiziente ZFN wurden identifiziert, generiert und erfolgreich im Zellkulturmodellsystem eingesetzt. Die Analysen demonstrierten eine Reparatur der Mutation durch Homologe Rekombination auf genomischer Ebene und die Expression des wiederhergestellten Proteins. Durch die Genkorrektur im endogenen Lokus sind Größe des Gens, Isoformen oder die Art der Mutation keine limitierenden Faktoren für die Therapie. Die in der vorliegenden Arbeit durchgeführten Experimente unterstreichen das enorme Potential ZFN-basierter Therapiestrategien hin zu personalisierten Therapieformen nicht nur für USH sondern auch für andere erbliche Erkrankungen, deren genetische Grundlagen bekannt sind.rn

Synthesis, binding and cellular uptake properties of oligodeoxynucleotides containing cationic bicyclo-thymidine residues

The synthesis and incorporation into oligodeoxynucleotides of two novel derivatives of bicyclothymidine carrying a cationic diaminopropyl or lysine unit in the C(6′)-β position is described. Compared to unmodified DNA these oligonucleotides show Tm-neutral behavior when paired against complementary DNA and are destabilizing when paired against RNA. Unaided uptake experiments of a decamer containing five lys-bcT units into HeLa and HEK293T cells showed substantial internalization with mostly cytosolic distribution which was not observed in the case of an unmodified control oligonucleotide.

THE ROLE OF TYROSINE PHOSPHORYLATION IN THE FUNCTIONS OF THE TUMOR SUPPRESSOR GPRC5A

The retinoic acid inducible G protein coupled receptor family C group 5 type A (GPRC5A) is expressed preferentially in normal lung tissue but its expression is suppressed in the majority of human non-small cell lung cancer cell lines and tissues. This differential expression has led to the idea that GPRC5A is a potential tumor suppressor. This notion was supported by the finding that mice with a deletion of the Gprc5a gene develop spontaneous lung tumors. However, there are various tumor cell lines and tissue samples, including lung, that exhibit higher GPRC5A expression than normal tissues and some reports by other groups that GPRC5A transfection increased cell growth and colony formation. Obviously, GPRC5A has failed to suppress the development of the tumors and the growth of the cell lines where its expression is not suppressed. Since no mutations were detected in the coding sequence of GPRC5A in 20 NSCLC cell lines, it’s possible that GPRC5A acts as a tumor suppressor in the context of some cells but not in others. Alternatively, we raised the hypothesis that the GPRC5A protein may be inactivated by posttranslational modification(s) such as phosphorylation. It is well established that Serine/Threonine phosphorylation of G protein coupled receptors leads to their desensitization and in a few cases Tyrosine phosphorylation of GPCRs has been linked to internalization. Others reported that GPRC5A can undergo tyrosine phosphorylation in the cytoplasmic domain after treatment of normal human mammary epithelial cells (HMECs) with epidermal growth factor (EGF) or Heregulin. This suggested that GPRC5A is a substrate of EGFR. Therefore, we hypothesized that tyrosine phosphorylation of GPRC5A by activation of EGFR signaling may lead to its inactivation. To test this hypothesis, we transfected human embryo kidney (HEK) 293 cells with GPRC5A and EGFR expression vectors and confirmed that GPRC5A can be tyrosine phosphorylated after activation of EGFR by EGF. Further, we found that EGFR and GPRC5A can interact either directly or through other proteins and that inhibition of the EGFR kinase activity decreased the phosphorylation of GPRA5A and the interaction between GPRC5A and EGFR. In c-terminal of GPRC5A, There are four tyrosine residues Y317, Y320, Y347, Y350. We prepared GPRC5A mutants in which all four tyrosine residues had been replaced by phenylalanine (mutant 4F) or each individual Tyr residue was replaced by Phe and found that Y317 is the major site for EGFR mediated phosphorylation in the HEK293T cell line. We also found that EGF can induce GPRC5A internalization both in H1792 transient and stable cell lines. EGF also partially inactivates the suppressive function of GPRC5A on cell invasion activity and anchorage-independent growth ability of H1792 stable cell lines. These finding support our hypothesis that GPRC5A may be inactivated by posttranslational modification- tyrosine phosphorylation.

Single point mutations affect fatty acid block of human myocardial sodium channel α subunit Na+ channels

Suppression of cardiac voltage-gated Na+ currents is probably one of the important factors for the cardioprotective effects of the n-3 polyunsaturated fatty acids (PUFAs) against lethal arrhythmias. The α subunit of the human cardiac Na+ channel (hH1α) and its mutants were expressed in human embryonic kidney (HEK293t) cells. The effects of single amino acid point mutations on fatty acid-induced inhibition of the hH1α Na+ current (INa) were assessed. Eicosapentaenoic acid (EPA, C20:5n-3) significantly reduced INa in HEK293t cells expressing the wild type, Y1767K, and F1760K of hH1α Na+ channels. The inhibition was voltage and concentration-dependent with a significant hyperpolarizing shift of the steady state of INa. In contrast, the mutant N406K was significantly less sensitive to the inhibitory effect of EPA. The values of the shift at 1, 5, and 10 μM EPA were significantly smaller for N406K than for the wild type. Coexpression of the β1 subunit and N406K further decreased the inhibitory effects of EPA on INa in HEK293t cells. In addition, EPA produced a smaller hyperpolarizing shift of the V1/2 of the steady-state inactivation in HEK293t cells coexpressing the β1 subunit and N406K. These results demonstrate that substitution of asparagine with lysine at the site of 406 in the domain-1-segment-6 region (D1-S6) significantly decreased the inhibitory effect of PUFAs on INa, and coexpression with β1 decreased this effect even more. Therefore, asparagine at the 406 site in hH1α may be important for the inhibition by the PUFAs of cardiac voltage-gated Na+ currents, which play a significant role in the antiarrhythmic actions of PUFAs.

Heteromeric association creates a P2Y-like adenosine receptor

Adenosine and its endogenous precursor ATP are main components of the purinergic system that modulates cellular and tissue functions via specific adenosine and ATP receptors (P1 and P2 receptors), respectively. Although adenosine inhibits excitability and ATP functions as an excitatory transmitter in the central nervous system, little is known about the ability of P1 and P2 receptors to form new functional structures such as a heteromer to control the complex purinergic cascade. Here we have shown that Gi/o protein-coupled A1 adenosine receptor (A1R) and Gq protein-coupled P2Y1 receptor (P2Y1R) coimmunoprecipitate in cotransfected HEK293T cells, suggesting the oligomeric association between distinct G protein-coupled P1 and P2 receptors. A1R and P2Y2 receptor, but not A1R and dopamine D2 receptor, also were found to coimmunoprecipitate in cotransfected cells. A1R agonist and antagonist binding to cell membranes were reduced by coexpression of A1R and P2Y1R, whereas a potent P2Y1R agonist adenosine 5′-O-(2-thiotriphosphate) (ADPβS) revealed a significant potency to A1R binding only in the cotransfected cell membranes. Moreover, the A1R/P2Y1R coexpressed cells showed an ADPβS-dependent reduction of forskolin-evoked cAMP accumulation that was sensitive to pertussis toxin and A1R antagonist, indicating that ADPβS binds A1R and inhibits adenylyl cyclase activity via Gi/o proteins. Also, a high degree of A1R and P2Y1R colocalization was demonstrated in cotransfected cells by double immunofluorescence experiments with confocal laser microscopy. These results suggest that oligomeric association of A1R with P2Y1R generates A1R with P2Y1R-like agonistic pharmacology and provides a molecular mechanism for an increased diversity of purine signaling.

Characterization of CDK5RAP2 as a novel regulator in the Hippo signaling pathway

CEP161 is a novel component of the Dictyostelium discoideum centrosome and is the ortholog of mammalian CDK5RAP2. Mutations in CDK5RAP2 are associated with autosomal recessive primary microcephaly (MCPH), a neurodevelopmental disorder characterized by reduced head circumference, a reduction in the size of the cerebral cortex and a mild to moderate mental retardation. Here we show that the amino acids 1-763 of the 1381 amino acids of CEP161 protein are sufficient for centrosomal targeting and centrosome association. AX2 cells over-expressing truncated and full length CEP161 proteins have defects in growth and development. Furthermore, we identified the kinase SvkA (severinkinase A) as its interaction partner which is the D. discoideum Hippo related kinase designated here as Hrk-svk. Hrk-svk is the direct homolog of human MST1. Both proteins co-localize at the centrosome. We further demonstrate that this interaction is also conserved in mammals. We were able to show that CDK5RAP2 interacts with MST1 and TAZ and it also down-regulates the transcript levels of TAZ in HEK293T cells. Taken together, our data on Dictyostelium CEP161 and human CDK5RAP2 supports the hypothesis that CDK5RAP2 as a novel regulator of Hippo signaling pathway. We propose that CDK5RAP2 mutations may lead to a decrease in the number of neurons and the subsequent reduction of brain size by regulating the hippo signaling pathway.

Enhancement of non-viral transfection efficiency with nuclear localization signal peptides

Dissertação de Mestrado, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2016

Toxicological impact of JWH-018 and its phase I metabolite N-(3-hydroxypentyl) on human cell lines

"The emergence and abuse of synthetic cannabinoids has been increasing as an alternative to cannabis, mainly among youth. As their appearance on the drug market has been recent, the pharmacological and toxicological profiles of these psychoactive substances are poorly understood. Current studies suggest that they have stronger effects compared to their natural alternatives and their metabolites retain affinity towards CB1 receptors in CNS. Since studies on its toxicological properties are scarce, the effects of the drug in human derived cell lines were investigated. The present study was designed to explore the toxicological impact of parent drug versus phase I metabolites of synthetic cannabinoids on human cells with and without CB1 receptor. The human cell line of neuroblastoma SH-SY5Y and human kidney cell line HEK-293T were exposed to JWH-018 and to its N-(3-hydroxypentyl) metabolite. Cell toxicity was evaluated using the MTT and LDH assay. Additionally, a dual staining methodology with fluorescent Annexin V-FITC and propidium iodide was performed to address the question of whether JWH-018 N-(3-hydroxypentyl) metabolite is inducing cell death through apoptosis or necrosis, in HEK293T and SH-SY5Y cell lines. The obtained results show that JWH-018 does not cause a statistically significant decrease in cell viability, in contrast to its N-(3-hydroxypentyl) metabolite, which at ≥25μM causes a significant decrease in cell viability. Both cell lines are affected by JWH-018 metabolite. Our results point to higher toxicity of JWH-018 metabolite when compared to its parent drug, suggesting a non-CB1 receptor mediated toxicological mechanism. Comparing the results from Annexin V/PI with MTT and LDH assays of SH-SY5Y and HEK293T in the presence of the synthetic cannabinoid metabolite, emerges the picture that cellular viability decreases and associated death is occurring through necrosis."

The human organic cation transporter OCT1 mediates high affinity uptake of the anticancer drug daunorubicin

Les anthracyclines tels que la doxorubicin et la daunorubicin sont une famille de médicaments anticancéreux hydrophiles qui doivent être transportés dans les cellules afin d’exercer leur action par intercalation à l’ADN dans le noyau cellulaire. Ceci mène à la perturbation du métabolisme de l’ADN et entraine la mort cellulaire. Les anthracyclines sont utilisés pour le traitement d’une variété de cancers incluant la leucémie, les lymphomes, le cancer du sein, le cancer des poumons et le cancer des ovaires. Étant donné que le transport actif des anthracyclines dans les cellules a partiellement été démontré, le transporteur spécifique impliqué dans ce processus n’est pas encore connu. En utilisant un modèle de cancer des ovaires, la lignée cellulaire TOV2223G, nous avons démontré que des substrats spécifiques au transporteur de cations organiques 1 (OCT1), notamment la ergothionéine, la thiamine et la phenformin, ont partiellement inhibé l’absorption de la daunorubicin en différence de la carnitine qui est un substrat de haute affinité des transporteurs CT2 et OCTN2. Ces résultats suggèrent que les transporteurs organiques spécifiques au transport de la carnitine ne sont pas impliqués dans le transport des anthracyclines. Ainsi, nos résultats ont démontré que l’absorption de la daunorubicin est orchestrée par le transporteur OCT1 dans les cellules TOV2223G (Km ~ 5 μM) et des concentrations micromolaires de choline ont complètement abolies l’absorption de la drogue. De plus, un ARN sh dirigé contre OCT1 a réprimé son expression protéique, ce qui a été confirmé par la technique d’immuno-buvardage en utilisant un anti-OCT1 anticorps. Les cellules déficientes en OCT1 n’ont pas été capables d’absorber la daunorubicin et ont été plus résistantes à l’action de la drogue par rapport aux cellules contrôle. La transfection des cellules HEK293T avec un plasmide construit de façon à faire exprimer OCT1 comme protéine de fusion avec la protéine fluorescente EYFP a montré que celle-ci est localisée dans la membrane plasmique. Les cellules transfectées ont été capables d’absorber cinq fois plus de daunorubicin comparé aux cellules contrôles. Cette étude est, selon nous, la première à démontrer que OCT1 est un transporteur de haute affinité des anthracyclines. Ainsi, nous avons émis l’hypothèse que des défauts de OCT1 peuvent contribuer à l’efficacité de la réponse des cellules cancéreuses à la chimiothérapie avec les anthracyclines.

The human organic cation transporter OCT1 mediates high affinity uptake of the anticancer drug daunorubicin

Les anthracyclines tels que la doxorubicin et la daunorubicin sont une famille de médicaments anticancéreux hydrophiles qui doivent être transportés dans les cellules afin d’exercer leur action par intercalation à l’ADN dans le noyau cellulaire. Ceci mène à la perturbation du métabolisme de l’ADN et entraine la mort cellulaire. Les anthracyclines sont utilisés pour le traitement d’une variété de cancers incluant la leucémie, les lymphomes, le cancer du sein, le cancer des poumons et le cancer des ovaires. Étant donné que le transport actif des anthracyclines dans les cellules a partiellement été démontré, le transporteur spécifique impliqué dans ce processus n’est pas encore connu. En utilisant un modèle de cancer des ovaires, la lignée cellulaire TOV2223G, nous avons démontré que des substrats spécifiques au transporteur de cations organiques 1 (OCT1), notamment la ergothionéine, la thiamine et la phenformin, ont partiellement inhibé l’absorption de la daunorubicin en différence de la carnitine qui est un substrat de haute affinité des transporteurs CT2 et OCTN2. Ces résultats suggèrent que les transporteurs organiques spécifiques au transport de la carnitine ne sont pas impliqués dans le transport des anthracyclines. Ainsi, nos résultats ont démontré que l’absorption de la daunorubicin est orchestrée par le transporteur OCT1 dans les cellules TOV2223G (Km ~ 5 μM) et des concentrations micromolaires de choline ont complètement abolies l’absorption de la drogue. De plus, un ARN sh dirigé contre OCT1 a réprimé son expression protéique, ce qui a été confirmé par la technique d’immuno-buvardage en utilisant un anti-OCT1 anticorps. Les cellules déficientes en OCT1 n’ont pas été capables d’absorber la daunorubicin et ont été plus résistantes à l’action de la drogue par rapport aux cellules contrôle. La transfection des cellules HEK293T avec un plasmide construit de façon à faire exprimer OCT1 comme protéine de fusion avec la protéine fluorescente EYFP a montré que celle-ci est localisée dans la membrane plasmique. Les cellules transfectées ont été capables d’absorber cinq fois plus de daunorubicin comparé aux cellules contrôles. Cette étude est, selon nous, la première à démontrer que OCT1 est un transporteur de haute affinité des anthracyclines. Ainsi, nous avons émis l’hypothèse que des défauts de OCT1 peuvent contribuer à l’efficacité de la réponse des cellules cancéreuses à la chimiothérapie avec les anthracyclines.