Xenopus peroxisome proliferator activated receptors: genomic organization, response element recognition, heterodimer formation with retinoid X receptor and activation by fatty acids.

Peroxisome proliferator activated receptors are ligand activated transcription factors belonging to the nuclear hormone receptor superfamily. Three cDNAs encoding such receptors have been isolated from Xenopus laevis (xPPAR alpha, beta, and gamma). Furthermore, the gene coding for xPPAR beta has been cloned, thus being the first member of this subfamily whose genomic organization has been solved. Functionally, xPPAR alpha as well as its mouse and rat homologs are thought to play an important role in lipid metabolism due to their ability to activate transcription of a reporter gene through the promoter of the acyl-CoA oxidase (ACO) gene. ACO catalyzes the rate limiting step in the peroxisomal beta-oxidation of fatty acids. Activation is achieved by the binding of xPPAR alpha on a regulatory element (DR1) found in the promoter region of this gene, xPPAR beta and gamma are also able to recognize the same type of element and are, as PPAR alpha, able to form heterodimers with retinoid X receptor. All three xPPARs appear to be activated by synthetic peroxisome proliferators as well as by naturally occurring fatty acids, suggesting that a common mode of action exists for all the members of this subfamily of nuclear hormone receptors.

Critical roles of the nuclear receptor PPARbeta (peroxisome-proliferator-activated receptor beta) in skin wound healing.

The PPARs (peroxisome-proliferator-activated receptors) alpha, beta/delta and gamma belong to the nuclear hormone receptor superfamily. While all three receptors are undetectable in adult mouse interfollicular epidermis, PPARbeta expression and activity is strongly re-activated by inflammatory stimuli during epidermal injury. The pro-inflammatory cytokine TNFalpha (tumour necrosis factor alpha) stimulates transcription of the PPARbeta gene via an activator protein-1 site in its promoter and it also triggers the production of PPARbeta ligands in keratinocytes. This increase of PPARbeta activity in these cells up-regulates the expression of integrin-linked kinase and 3-phosphoinositide-dependent kinase-1, which phosphorylates protein kinase B-alpha (Akt1). The resulting increase in Akt1 activity suppresses apoptosis and ensures the presence of a sufficient number of viable keratinocytes at the wound margin for re-epithelialization. Together, these observations reveal that PPARbeta takes on multiple roles and contributes favourably to the process of wound closure.

Structural basis for the specificity of bipartite nuclear localization sequence binding by importin-alpha

Importin-alpha is the nuclear import receptor that recognizes cargo proteins carrying conventional basic monopartite and bipartite nuclear localization sequences (NLSs) and facilitates their transport into the nucleus. Bipartite NLSs contain two clusters of basic residues, connected by linkers of variable lengths. To determine the structural basis of the recognition of diverse bipartite NLSs by mammalian importin-alpha, we co-crystallized a non-autoinhibited mouse receptor protein with peptides corresponding to the NLSs from human retinoblastoma protein and Xenopus laevis phosphoprotein N1N2, containing diverse sequences and lengths of the linker. We show that the basic clusters interact analogously in both NLSs, but the linker sequences adopt different conformations, whereas both make specific contacts with the receptor. The available data allow us to draw general conclusions about the specificity of NLS binding by importin-alpha and facilitate an improved definition of the consensus sequence of a conventional basic/bipartite NLS (KRX10-12KRRK) that can be used to identify novel nuclear proteins.

Probing the Specificity of Binding to the Major Nuclear Localization Sequence-binding Site of Importin-alpha Using Oriented Peptide Library Screening

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Synthese 18 F-markierter Liganden zur Visualisierung der GABA-Bindungsstelle des GABA A-Rezeptors mittels PET

γ-Aminobuttersäure (GABA) ist der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im zentralen Nervensystem und bindet vorrangig an ionotrope GABAA-Rezeptoren. Diese sind an fast allen neuronalen Prozessen beteiligt und werden darüber hinaus mit neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie, Angstzuständen, Schlafstörungen und Schizophrenie in Verbindung gebracht. Die PET bietet als molekulares bildgebendes Verfahren die Möglichkeit einzelne Stoffwechselvorgänge des GABAergen Systems zu visualisieren und zu quantifizieren. Durch den Einsatz eines 18F-markierten Radioliganden an die GABA-Bindungsstelle könnten so die Rezeptorverfügbarkeit des GABAA-Rezeptors gemessen und die Ausschüttung des Neurotransmitters GABA quantifiziert werden.rn4-(2-Naphthylmethyl)-5-(piperidin-4-yl)isothiazolole und -isoxazolole stellen aufgrund ihrer hohen Affinität gegenüber der GABA-Bindungsstelle und ihrer lipophilen Struktur vielversprechende Leitstrukturen für die Entwicklung eines PET-Tracers zur Visualisierung der GABA-Bindungsstelle dar. Daher wurden zunächst 19F-substituierte Referenzverbindungen synthetisiert, um diese hinsichtlich ihrer Eignung als Radioligand in in vitro-Studien zu evaluieren. Dazu wurde Fluor direkt sowie über eine Fluorethoxygruppe an Position 1 des Naphthalinrings eingeführt. Zusätzlich wurde ein Fluorethylether eines Isothiazolols als Referenz-verbindung synthetisiert. In anschließenden Verdrängungsstudien wurden die Affinitäten der synthetisierten Verbindungen mit [3H]Muscimol an Membranpräparaten aus Rattenhirnen, sowie transfizierten HEK293-Zellen bestimmt. Zusätzlich wurden die entsprechenden Log D-Werte bestimmt. Die Verbindung 5-(piperidin-4-yl)-4-(1-fluornaphth-2-ylmethyl)-isothiazol-3-ol VK5 zeigte in den in vitro-Studien die vielversprechendsten Ergebnisse (IC50 = 10 nM; Log D = 1,7) und wurde im Folgenden in einer dreistufigen Radiosynthese als 18F-Verbindung synthetisiert.rnZu diesem Zweck wurde ein geeigneter Markierungsvorläufer dargestellt und über eine n.c.a. SNAr-Markierung mit [18F]F- umgesetzt. Die Reaktionsparameter wurden hinsichtlich Reaktionszeit, -temperatur, Basenkonzentration und Lösungsmittel optimiert. Die zur Aktivierung einer SNAr ein-geführte Carbonylfunktion wurde in einem zweiten Schritt mit Triethylsilan/Trifluoressigsäure reduziert. Im finalen Schritt wurden zwei Schutzgruppen mit Bortrichlorid in DCM abgespaltet und [18F]VK5 als injektionsfertige Lösung in isotoner NaCl-Lösung erhalten. Es wurden radiochemische Ausbeuten von 0,7-1 % (EOS) nach einer durchschnittlichen Synthesedauer von 275 Minuten erhalten.rnDer Radioligand [18F]VK5 wurde anschließend in Autoradiographie-Versuchen an Hirnschnitten der Ratte hinsichtlich seiner Spezifität für die GABA-Bindungsstelle untersucht. Die unspezifische Bindung wurde durch die Zugabe von GABA bestimmt wonach kein signifikanter Unterschied festgestellt werden konnte. Die hohe unspezifische Bindung kann möglicherweise auf die niedrigen spezifischen Aktivitäten zurückgeführt werden. Diese lagen, bedingt durch die drei Schritte der Radiosynthese, in einem Bereich von 0,1-0,6 GBq/μmol. Die erhaltenen Ergebnisse lassen für zukünftige Versuche noch einige Optimierungsmöglichkeiten offen. Aufgrund der bisher erhaltenen Daten lässt sich daher keine definitive Aussage über die Eignung des Liganden [18F]VK5 als PET-Tracer treffen.rn

90 Nb: potential radionuclide for application in immuno-PET : development of appropriate production strategy and first in vivo evaluation of 90 Nb-labeled monoclonal antibody

Die Nuklearmedizin ist ein modernes und effektives Werkzeug zur Erkennung und Behandlung von onkologischen Erkrankungen. Molekulare Bildgebung, die auf dem Einsatz von Radiopharmaka basiert, beinhaltet die Einzel-Photonen-Emissions-Tomographie (SPECT) und Positronenemissions¬tomographie (PET) und ermöglicht die nicht-invasive Visualisierung von Tumoren auf nano-und picomolarer Ebene.rnDerzeit werden viele neue Tracer für die genauere Lokalisierung von kleinen Tumoren und Metastasen eingeführt und hinsichtlich ihrer Eignung untersucht. Die meisten von ihnen sind Protein-basierte Biomoleküle, die die Natur selbst als Antigene für die Tumorzellen produziert. Dabei spielen Antikörper und Antikörper-Fragmente eine wichtige Rolle in der Tumor-Diagnostik und Behandlung. Die PET-Bildgebung mit Antikörpern und Antikörperfragmenten bezeichnet man als immuno-PET. Ein wichtiger Aspekt hierbei ist, dass entsprechende Radiopharmaka benötigt werden, deren Halbwertszeit mit der Halbwertszeit der Biomoleküle korreliert ist.rnIn neueren Arbeiten wird 90Nb als potenzieller Kandidat für die Anwendung in der immuno-PET vorgeschlagen. Seine Halbwertszeit von 14,6 Stunden ist geeignet für die Anwendung mit Antikörperfragmenten und einige intakten Antikörpern. 90Nb hat eine relativ hohen Anteil an Positronenemission von 53% und eine optimale Energie für die β+-Emission von 0,35 MeV, die sowohl eine hohe Qualität der Bildgebung als auch eine niedrige Aktivitätsmenge des Radionuklids ermöglicht.rnErsten grundlegende Untersuchungen zeigten: i) dass 90Nb in ausreichender Menge und Reinheit durch Protonen-Bombardierung des natürlichen Zirkonium Targets produziert, ii) aus dem Targetmaterial in entsprechender radiochemischer Reinheit isoliert und iii) zur Markierung des monoklonalen Antikörpers (Rituximab) verwendet werden kann und iv) dieser 90Nb-markierte mAb eine hohe in vitro Stabilität besitzt. Desweiteren wurde eine alternative und schnelle Abtrennungsmethode entwickelt, die es erlaubt 90Nb, mit einer geeigneten radiochemischen und radionuklidischen Reinheit für eine anschließende Markierung von Biomolekülen in einer Stunde zu aufzureinigen. Schließlich wurden erstmals 90Nb-markierte Biomolekülen in vivo untersucht. Desweiteren wurden auch Experimente durchgeführt, um den optimalen bifunktionellen Chelatbildner (BFC) für 90Niob zu finden. Mehrere BFC wurden hinsichtlich Komplexbildung mit NbV untersucht. Desferrioxamin (Df) erwies sich als geeignetster Chelator für 90Nb. Der monoklonale Antikörper Bevacizumab (Avastin®) wurde mit 90Nb markiert und eine Biodistributionsstudie und eine PET-Untersuchung durchgeführt. Alle diese Ergebnisse zeigten, dass 90Nb ein vielversprechendes Radionuklid für die Immuno-PET ist, welches sogar für weitere kommerzielle Anwendungen in der klinischen Routine geeignet zu sein scheint.rn

Macrocyclic bisphosphonates for PET-diagnosis and endoradiotherapy of bone metastases

Die Fallzahlen von Prostata- und Brustkrebs nehmen aktuell die Spitzenplätze bei Krebserkrankungen weltweit ein. Eine schwerwiegende Folge dieser Erkrankung stellen Metastasierungen in das Knochengewebe dar, welche zu einer dramatischen Verschlechterung des Allgemeinzustandes und der Lebensqualität des Patienten führen. Die Symptome sind gekennzeichnet durch enorme Schmerzen in Kombination mit osteoblastischen und osteolytischen Knochenveränderungen, bis hin zu Frakturen und spinalen Kompressionssyndromen, sowie einer metabolischen Hypercalcaemie.rnBei der Diagnose und Therapie nehmen verschiedene Radiopharmaka eine Schlüsselrolle ein. Konjugate aus makrozyklischen Chelatoren und knochenaffinen Bisphosphonaten stellen ein geeignetes Mittel dar als so genannte Theranostika, die Diagnose und Therapie in einem Molekül vereinen. Hierbei konnten mit dem Generator basierenden PET-Nuklid 68Ga(III) und dem Therapienuklid 177Lu(III) erste Erfolge mit der Verbindung BPAMD am Patienten erzielt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist es gelungen, die pharmakologischen Eigenschaften der BPAMD-Leitstruktur weiter zu optimieren und neue Derivate erfolgreich zu synthetisieren. Diese zeichneten sich durch eine erhöhte Knochenaffinität und eines besseren ´target to background´ Verhältnisses aus. Im Zuge der Derivatisierung ist es außerdem gelungen, erfolgreich eine Substanz darzustellen, welche über eine gesteigerte Blutretention verfügt und die letztendlich die Bioverfügbarkeit des Tracers erhöhte. Verbindungen solchen Typs können zu einem besseren Tumor zu gesundem Knochen Verhältnis beitragen und eventuell einen höheren Therapieerfolg erzielen. Eines dieser neuen vielversprechenden Bisphosphonate, [68Ga]NO2APBP konnte innerhalb einer klinischen Phase 0 bzw. I sein großes Potential als Diagnostikum zur Erfassung von Skelettmetastasen unter Beweis stellen. Innerhalb einer Testreihe mit 12 Patienten wurde eine hohe diagnostische Übereinstimmung mit dem Goldstandard 18F-Fluorid erreicht. In ausgesuchten Metastasen konnte sogar eine höhere Tracer-Aufnahme erzielt werden.rnIn Zukunft können makrozyklische Bisphosphonate eine wichtige Rolle bei der palliativen Schmerztherapie von Knochenmetastasen einnehmen. rn

An examination of the characteristics, concentration and distribution of androgen receptor in rat testis during sexual maturation

Previously reported androgen receptor concentrations in rat testis and testicular cell types have varied widely. In the studies reported here a nuclear exchange assay was established in rat testis in which exchange after 86 hours at 4$\sp\circ$C was greater than 85% complete and receptor was stable. Receptor concentration per DNA measured by exchange declined between 15 and 25 days of age in the rat testis, then increased 4-fold during sexual maturation. Proliferation of germ cells which had low receptor concentration appeared to account for the early decline in testicular receptor concentration, whereas increase in receptor number per Sertoli cell between 25 and 35 days of age contributed to the later increase. Increase in Leydig cell number during maturation appeared to account for the remainder of the increase due to the high receptor concentration in these cells. Detailed studies showed that other possible explanations for changes in receptor number (e.g. shifts in receptor concentration between the cytosol and nuclear subcellular compartments or changes in the affinity of the receptor for its ligands) were not likely.^ Androgen receptor dynamics in testicular cells showed rapid, specific uptake of ($\sp3$H) -testosterone that was easily blocked by unlabeled testosterone (RA of 7 nM in both cell types), and medroxyprogesterone acetate (RA of 28 and 16 nM in Sertoli and peritubular cells, respectively), but not as well by the anti-androgens cyproterone acetate (RA of 116 and 68 nM) and hydroxyflutamide (RA of 300 and 180 nM). The affinity of the receptor for the ligand dimethylnortestosterone was similar in the two cell types (K$\rm\sb{d}$ values of 0.78 and 0.71 nM for Sertoli and peritubular cells) and was virtually identical with the affinity of the whole testis receptor (0.89 nM). Medroxyprogesterone acetate and testosterone significantly increased nuclear androgen receptor concentration relative to untreated controls in Sertoli and peritubular cells, whereas hydroxyflutamide and cyproterone acetate did not. Despite the different embryological origins of peritubular and Sertoli cells, their responses to both androgens and anti-androgens were similar. In addition, these studies suggest that peritubular cells are as likely as Sertoli cells to be primary androgen targets. ^

The orphan nuclear receptor LXRα is positively and negatively regulated by distinct products of mevalonate metabolism

LXRα is an orphan member of the nuclear hormone receptor superfamily that displays constitutive transcriptional activity. We reasoned that this activity may result from the production of an endogenous activator that is a component of intermediary metabolism. The use of metabolic inhibitors revealed that mevalonic acid biosynthesis is required for LXRα activity. Mevalonic acid is a common metabolite used by virtually all eukaryotic cells. It serves as a precursor to a large number of important molecules including farnesyl pyrophosphate, geranylgeranyl pyrophosphate, cholesterol, and oxysterols. Inhibition of LXRα could be reversed by addition of mevalonic acid and certain oxysterols but not by other products of mevalonic acid metabolism. Surprisingly, the constitutive activity of LXRα was inhibited by geranylgeraniol, a metabolite of mevalonic acid. These findings suggest that LXRα may represent a central component of a signaling pathway that is both positively and negatively regulated by multiple products of mevalonate metabolism.

Tracking the estrogen receptor in neurons: Implications for estrogen-induced synapse formation

Estrogens (E) and progestins regulate synaptogenesis in the CA1 region of the dorsal hippocampus during the estrous cycle of the female rat, and the functional consequences include changes in neurotransmission and memory. Synapse formation has been demonstrated by using the Golgi technique, dye filling of cells, electron microscopy, and radioimmunocytochemistry. N-methyl-d-aspartate (NMDA) receptor activation is required, and inhibitory interneurons play a pivotal role as they express nuclear estrogen receptor alpha (ERα) and show E-induced decreases of GABAergic activity. Although global decreases in inhibitory tone may be important, a more local role for E in CA1 neurons seems likely. The rat hippocampus expresses both ERα and ERβ mRNA. At the light microscopic level, autoradiography shows cell nuclear [3H]estrogen and [125I]estrogen uptake according to a distribution that primarily reflects the localization of ERα-immunoreactive interneurons in the hippocampus. However, recent ultrastructural studies have revealed extranuclear ERα immunoreactivity (IR) within select dendritic spines on hippocampal principal cells, axon terminals, and glial processes, localizations that would not be detectable by using standard light microscopic methods. Based on recent studies showing that both types of ER are expressed in a form that activates second messenger systems, these findings support a testable model in which local, non-genomic regulation by estrogen participates along with genomic actions of estrogens in the regulation of synapse formation.

FRAP analysis of nucleocytoplasmic dynamics of the vitamin D receptor splice variant VDRB1: preferential targeting to nuclear speckles

Although the key components of the cellular nuclear transport machinery have largely been characterized through extensive efforts in recent years, in vivo measurements of the kinetics of nuclear protein import/export are patently few. The present study applies the approach of FRAP (fluorescence recovery after photobleaching) to examine the nucleocytoplasmic flux of a novel human VDRB1 (vitamin D receptor B I) isoform in living cells. Through an N-terminal extension containing a consensus nuclear targeting sequence, VDRB1 is capable of localizing in nuclear speckles adjacent to SC-35 (35 kDa splicing component)containing speckles as well as in the nucleoplasm, dependent on ligand. Investigation of VDRB1 nucleocytoplasmic transport using FRAP indicates for the first time that the VDRB1 has a serum-modulated, active nuclear-import mechanism. There is no evidence of an efficient, active export mechanism for VDRB1, probably as a result of nuclear retention. VDRB1 nuclear import in the absence of serum occurred more rapidly and to a greater extent to nuclear speckles compared with import to other nuclear sites. This preferential transport from the cytoplasm to and accumulation within nuclear speckles is consistent with the idea that the latter represent dynamic centres of VDRB1 interaction with other nuclear proteins. The results are consistent with the existence of specialized pathways to target proteins to nuclear subdomains.

NMDA receptor dysfunction in Alzheimer's disease

The inherent neurotoxic potential ofthe endogenous excitatory amino acid glutamate, may be causally related to the pathogenesis ofAD neurodegeneration disorders. Neuronal excitotoxicity is conceivably mediated by the N-methyl-D-aspartate-(NMDA)-Ca2+- ionotropic receptor. NMDA receptors exist as multimeric complexes comprising proteins from two families – NR1 and NR2(A-D). The polyamines, spermine and spermidine bind to, and modulate NMDA receptor efficacy via interaction with exon 5, an alternatively-spliced, 21 amino acid, N-terminal cassette. AD associated cognitive impairment may therefore occur via subunitspecific NMDA receptor dysfunction effecting regional selectivity of neuronal degradation.

NMDA receptor dysfunction in Alzheimer's disease

The inherent neurotoxic potential ofthe endogenous excitatory amino acid glutamate, may be causally related to the pathogenesis ofAD neurodegeneration disorders. Neuronal excitotoxicity is conceivably mediated by the N-methyl-D-aspartate-(NMDA)-Ca2+- ionotropic receptor. NMDA receptors exist as multimeric complexes comprising proteins from two families – NR1 and NR2(A-D). The polyamines, spermine and spermidine bind to, and modulate NMDA receptor efficacy via interaction with exon 5, an alternatively-spliced, 21 amino acid, N-terminal cassette. ADassociated cognitive impairment may therefore occur via subunitspecific NMDA receptor dysfunction effecting regional selectivity ofneuronal degradation. Total RNA was prepared from pathologically spared and susceptible regions from AD cases and matched controls. Quantitation was performed using standard curve methodology in which a known amount ofa synthetic ribonucleic acid competitor deletion construct was co-amplified against total RNA. Expression profile analysis oftwo NR1 mRNA subsets has revealed significant differences in NR11XX mRNA levels in cingulate gyrus, P.

Autoinhibition by an internal nuclear localization signal revealed by the crystal structure of mammalian importin alpha

Importin alpha is the nuclear import receptor that recognizes classical monopartite and bipartite nuclear localization signals (NLSs). The structure of mouse importin alpha has been determined at 2.5 Angstrom resolution. The structure shows a large C-terminal domain containing armadillo repeats, and a less structured N-terminal importin beta-binding domain containing an internal NLS bound to the NLS-binding site. The structure explains the regulatory switch between the cytoplasmic, high-affinity form, and the nuclear, low-affinity form for NLS binding of the nuclear import receptor predicted by the current models of nuclear import. Importin beta conceivably converts the low- to high-affinity form by binding to a site overlapping the autoinhibitory sequence. The structure also has implications for understanding NLS recognition, and the structures of armadillo and HEAT repeats.

Structural basis of recognition of monopartite and bipartite nuclear localization sequences by mammalian importin-alpha

Importin-alpha is the nuclear import receptor that recognizes cargo proteins which contain classical monopartite and bipartite nuclear localization sequences (NLSs), and facilitates their transport into the nucleus. To determine the structural basis of the recognition of the two classes of NLSs by mammalian importin-alpha, we co-crystallized an N-terminally truncated mouse receptor protein with peptides corresponding to the monopartite NLS from the simian virus 40 (SV40) large T-antigen, and the bipartite NLS from nucleoplasmin. We show that the monopartite SV40 large T-antigen NLS binds to two binding sites on the receptor, similar to what was observed in yeast importin-alpha. The nucleoplasmin NLS-importin-alpha complex shows, for the first time, the mode of binding of bipartite NLSs to the receptor. The two basic clusters in the NLS occupy the two binding sites used by the monopartite NLS, while the sequence linking the two basic clusters is poorly ordered, consistent with its tolerance to mutations. The structures explain the structural basis for binding of diverse NLSs to the sole receptor protein. (C) 2000 Academic Press.