A role for whey acidic protein four-disulfide-core 12 (WFDC12) in the regulation of the inflammatory response in the lung

Introduction: Secretory leucocyte protease inhibitor and elafin are members of the whey acidic protein (WAP), or WAP four disulfide-core (WFDC), family of proteins and have multiple contributions to innate defence including inhibition of neutrophil serine proteases and inhibition of the inflammatory response to lipopolysaccharide (LPS). This study aimed to explore potential activities of WFDC12, a previously uncharacterised WFDC protein expressed in the lung. Methods: Recombinant expression and purification of WFDC12 were optimised in Escherichia coli. Antiprotease, antibacterial and immunomodulatory activities of recombinant WFDC12 were evaluated and levels of endogenous WFDC12 protein were characterised by immunostaining and ELISA. Results: Recombinant WFDC12 inhibited cathepsin G, but not elastase or proteinase-3 activity. Monocytic cells pretreated with recombinant WFDC12 before LPS stimulation produced significantly lower levels of the pro-inflammatory cytokines interleukin-8 and monocyte chemotactic protein-1 compared with cells stimulated with LPS alone. Recombinant WFDC12 became conjugated to fibronectin in a transglutaminase-mediated reaction and retained antiprotease activity. In vivo WFDC12 expression was confirmed by immunostaining of human lung tissue sections. WFDC12 levels in human bronchoalveolar lavage fluid from healthy and lung-injured patients were quantitatively compared, showing WFDC12 to be elevated in both patients with acute respiratory distress syndrome and healthy subjects treated with LPS, relative to healthy controls. Conclusions: Together, these results suggest a role for this lesser known WFDC protein in the regulation of lung inflammation.

The γ-tocopherol-like family of N-methyltransferases: A taxonomically clustered gene family encoding enzymes responsible for N-methylation of monoterpene indole alkaloids

The plant family Apocynaceae accumulates thousands of monoterpene indole alkaloids (MIAs) which originate, biosynthetically, from the common secoiridoid intermediate, strictosidine, that is formed from the condensation of tryptophan and secologanin molecules. MIAs demonstrate remarkable structural diversity and have pharmaceutically valuable biological activities. For example; a subunit of the potent anti-neoplastic molecules vincristine and vinblastine is the aspidosperma alkaloid, vindoline. Vindoline accumulates to trace levels under natural conditions. Research programs have determined that there is significant developmental and light regulation involved in the biosynthesis of this MIA. Furthermore, the biosynthetic pathway leading to vindoline is split among at least five independent cell types. Little is known of how intermediates are shuttled between these cell types. The late stage events in vindoline biosynthesis involve six enzymatic steps from tabersonine. The fourth biochemical step, in this pathway, is an indole N-methylation performed by a recently identified N-methyltransfearse (NMT). For almost twenty years the gene encoding this NMT had eluded discovery; however, in 2010 Liscombe et al. reported the identification of a γ-tocopherol C-methyltransferase homologue capable of indole N-methylating 2,3-dihydrotabersonine and Virus Induced Gene Silencing (VIGS) suppression of the messenger has since proven its involvement in vindoline biosynthesis. Recent large scale sequencing initiatives, performed on non-model medicinal plant transcriptomes, has permitted identification of candidate genes, presumably involved, in MIA biosynthesis never seen before in plant specialized metabolism research. Probing the transcriptome assemblies of Catharanthus roseus (L.)G.Don, Vinca minor L., Rauwolfia serpentine (L.)Benth ex Kurz, Tabernaemontana elegans, and Amsonia hubrichtii, with the nucleotide sequence of the N-methyltransferase involved in vindoline biosynthesis, revealed eight new homologous methyltransferases. This thesis describes the identification, molecular cloning, recombinant expression and biochemical characterization of two picrinine NMTs, one from V. minor and one from R. serpentina, a perivine NMT from C. roseus, and an ajmaline NMT from R. serpentina. While these TLMTs were expressed and functional in planta, they were active at relatively low levels and their N-methylated alkaloid products were not apparent our from alkaloid isolates of the plants. It appears that, for the most part, these TLMTs, participate in apparently silent biochemical pathways, awaiting the appropriate developmental and environmental cues for activity.

Modifications post-traductionnelles des canaux calciques cardiaques de type L : identification des résidus asparagine qui participent à la glycosylation de la sous-unité auxiliaire CaVα2δ1

Les canaux calciques de type L CaV1.2 sont principalement responsables de l’entrée des ions calcium pendant la phase plateau du potentiel d’action des cardiomyocytes ventriculaires. Cet influx calcique est requis pour initier la contraction du muscle cardiaque. Le canal CaV1.2 est un complexe oligomérique qui est composé de la sous-unité principale CaVα1 et des sous-unités auxiliaires CaVβ et CaVα2δ1. CaVβ joue un rôle déterminant dans l’adressage membranaire de la sous-unité CaVα1. CaVα2δ1 stabilise l’état ouvert du canal mais le mécanisme moléculaire responsable de cette modulation n’a pas été encore identifié. Nous avons récemment montré que cette modulation requiert une expression membranaire significative de CaVα2δ1 (Bourdin et al. 2015). CaVα2δ1 est une glycoprotéine qui possède 16 sites potentiels de glycosylation de type N. Nous avons donc évalué le rôle de la glycosylation de type-N dans l’adressage membranaire et la stabilité de CaVα2δ1. Nous avons d’abord confirmé que la protéine CaVα2δ1 recombinante, telle la protéine endogène, est significativement glycosylée puisque le traitement à la PNGase F se traduit par une diminution de 50 kDa de sa masse moléculaire, ce qui est compatible avec la présence de 16 sites Asn. Il s’est avéré par ailleurs que la mutation simultanée de 6/16 sites (6xNQ) est suffisante pour 1) réduire significativement la densité de surface de! CaVα2δ1 telle que mesurée par cytométrie en flux et par imagerie confocale 2) accélérer les cinétiques de dégradation telle qu’estimée après arrêt de la synthèse protéique et 3) diminuer la modulation fonctionnelle des courants générés par CaV1.2 telle qu’évaluée par la méthode du « patch-clamp ». Les effets les plus importants ont toutefois été obtenus avec les mutants N663Q, et les doubles mutants N348Q/N468Q, N348Q/N812Q, N468Q/N812Q. Ensemble, ces résultats montrent que Asn663 et à un moindre degré Asn348, Asn468 et Asn812 contribuent à la biogenèse et la stabilité de CaVα2δ1 et confirment que la glycosylation de type N de CaVα2δ1 est nécessaire à la fonction du canal calcique cardiaque de type L.

The genetic basis of resistance to anticoagulants in rodents

Anticoagulant compounds, i.e., derivatives of either 4-hydroxycoumarin (e.g., warfarin, bromadiolone) or indane-1,3-dione (e.g., diphacinone, chlorophacinone), have been in worldwide use as rodenticides for > 50 years. These compounds inhibit blood coagulation by repression of the vitamin K reductase reaction (VKOR). Anticoagulant-resistant rodent populations have been reported from many countries and pose a considerable problem for pest control. Resistance is transmitted as an autosomal dominant trait although, until recently, the basic genetic mutation was unknown. Here, we report on the identification of eight different mutations in the VKORC1 gene in resistant laboratory strains of brown rats and house mice and in wild-caught brown rats from various locations in Europe with five of these mutations affecting only two amino acids (Tyr139Cys, Tyr139Ser, Tyr139Phe and Leu128Gln, Leu128Ser). By recombinant expression of VKORC1 constructs in HEK293 cells we demonstrate that mutations at Tyr139 confer resistance to warlarin at variable degrees while the other mutations, in addition, dramatically reduce VKOR activity. Our data strongly argue for at least seven independent mutation events in brown rats and two in mice. They suggest that mutations in VKORC1 are the genetic basis of anticoagulant resistance in wild populations of rodents, although the mutations alone do not explain all aspects of resistance that have been reported. We hypothesize that these mutations, apart from generating structural changes in the VKORC1 protein, may induce compensatory mechanisms to maintain blood clotting. Our findings provide the basis for a DNA-based field monitoring of anticoagulant resistance in rodents.

Molecular requirements for L-type Ca2+ channel blockade by testosterone

Despite being generally perceived as detrimental to the cardiovascular system, testosterone has marked beneficial vascular effects; most notably it acutely and directly causes vasodilatation. Indeed, men with hypotestosteronaemia can present with myocardial ischemia and angina which can be rapidly alleviated by infusion of testosterone. To date, however, in vitro studies have failed to provide a convincing mechanism to account for this clinically important effect. Here, using whole-cell patch-clamp recordings to measure current flow through recombinant human L-type Ca2+ channel alpha(1C) subunits (Ca(v)1.2), we demonstrate that testosterone inhibits such currents in a concentration-dependent manner. Importantly, this occurs over the physiological range of testosterone concentrations (IC50 34 nM), and is not mimicked by the metabolite 5alpha-androstan-17beta-ol-3-one (DHT), nor by progesterone or estradiol, even at high (10 microM) concentration. L-type Ca2+ channels in the vasculature are also important clinical targets for vasodilatory dihydropyridines. A single point mutation (T1007Y) almost completely abolishes nifedipine sensitivity in our recombinant expression system. Crucially, the same mutation renders the channels insensitive to testosterone. Our data strongly suggest, for the first time, the molecular requirements for testosterone binding to L-type Ca2+ channels, thereby supporting its beneficial role as an endogenous Ca2+ channel antagonist in the treatment of cardiovascular disease.

Inhibition of the cardiac Na+ channel Nav1.5 by carbon monoxide

Sub-lethal carbon monoxide (CO) exposure is frequently associated with myocardial arrhythmias and our recent studies have demonstrated that these may be attributable to modulation of cardiac Na+ channels, causing an increase in the late current and an inhibition of the peak current. Using a recombinant expression system, we demonstrate that CO inhibits peak human Nav1.5 current amplitude without activation of the late Na+ current observed in native tissue. Inhibition was associated with a hyperpolarizing shift in the steady-state inactivation properties of the channels and was unaffected by modification of channel gating induced by anemone toxin (rATX-II). Systematic pharmacological assessment indicated that no recognised CO-sensitive intracellular signalling pathways appeared to mediate CO inhibition of Nav1.5. Inhibition was, however, markedly suppressed by inhibition of nitric oxide (NO) formation, but NO donors did not mimic or occlude channel inhibition by CO, indicating that NO alone did not account for the actions of CO. Exposure of cells to dithiothreitol immediately before CO exposure also dramatically reduced the magnitude of current inhibition. Similarly, L-cysteine and N-ethylmaleimide significantly attenuated the inhibition caused by CO. In the presence of DTT and the NO inhibitor L-NAME, the ability of CO to inhibit Nav1.5 was almost fully prevented. Our data indicate that inhibition of peak Na+ current (which can lead to Brugada-syndrome like arrhythmias) occurs via a mechanism distinct from induction of the late current, requires NO formation and is dependent on channel redox state.

Development and Biotechnological Application of a Novel Endoxylanase Family GH10 Identified from Sugarcane Soil Metagenome

Metagenomics has been widely employed for discovery of new enzymes and pathways to conversion of lignocellulosic biomass to fuels and chemicals. In this context, the present study reports the isolation, recombinant expression, biochemical and structural characterization of a novel endoxylanase family GH10 (SCXyl) identified from sugarcane soil metagenome. The recombinant SCXyl was highly active against xylan from beechwood and showed optimal enzyme activity at pH 6,0 and 45°C. The crystal structure was solved at 2.75 Å resolution, revealing the classical (β/α)8-barrel fold with a conserved active-site pocket and an inherent flexibility of the Trp281-Arg291 loop that can adopt distinct conformational states depending on substrate binding. The capillary electrophoresis analysis of degradation products evidenced that the enzyme displays unusual capacity to degrade small xylooligosaccharides, such as xylotriose, which is consistent to the hydrophobic contacts at the +1 subsite and low-binding energies of subsites that are distant from the site of hydrolysis. The main reaction products from xylan polymers and phosphoric acid-pretreated sugarcane bagasse (PASB) were xylooligosaccharides, but, after a longer incubation time, xylobiose and xylose were also formed. Moreover, the use of SCXyl as pre-treatment step of PASB, prior to the addition of commercial cellulolytic cocktail, significantly enhanced the saccharification process. All these characteristics demonstrate the advantageous application of this enzyme in several biotechnological processes in food and feed industry and also in the enzymatic pretreatment of biomass for feedstock and ethanol production. © 2013 Alvarez et al.

Clonagem e expressão do gene engXCA de Xanthomonas campestri pv. campestris em Saccharmyces cerevisiae e estudos das endoglucanases nativa e recombinante

Pós-graduação em Biotecnologia - IQ

Produção de vetores recombinantes para expressão de diferentes formas da proteína K1 do herpesvírus associado ao Sarcoma de Kaposi (KSHV)

Kaposi´s sarcoma associated herpesvirus (KSHV) or human herpesvirus 8 (HHV-8) is a gammaherpesvirus essential for the development of all forms of Kaposi´s sarcoma (KS). The KSHV’s life cycle is basically divided into latent and lytic phases, which have distinct viral gene expression profiles. Some important oncogenic products of KSHV are expressed during the lytic phase, including the viral K1 protein. As an effect of interfer-ence with intracellular signaling, K1 expression increases proliferation and survival of KSHV-infected cells. Due to its high level of genetic variability compared to other re-gions of the viral genome, the K1-encoding ORF (ORF-K1) is commonly evaluated for KSHV genotyping. It remains unclear whether different viral genotypes have particular biological effects that might modify the KSHV oncogenicity. The present study aimed to contribute to the establishment of an experimental in vitro model for evaluation of the K1 protein from common KSHV genotypes. Recombinant expression vectors with the ORF-K1 from KSHV genotypes A, B and C were prepared by genetic cloning. The recombi-nant vectors pKSHVOK1 obtained by cloning were sequenced for structural validation. After that, HEK293 cell line was transfected with the recombinant vectors, and proteins were extracted for expression analysis by Western blot technique, for K1 functional vali-dation. Results showed that ORF-K1 vectors containing KSHV ORF-K1 from the A, B and C genotypes were produced and structurally validated by DNA sequencing. The K1 expression at the protein level was also confirmed by immunoblots using an antibody for FLAG detection, an epitope from the vector that binds to K1. Based on presented re-sults, it´s possible to conclude that the recombinant vectors will be able to be used in future studies of K1 protein biological properties from distinct KSHV genotypes

Oral immunization with attenuated Salmonella vaccine expressing Escherichia coli O157:H7 intimin gamma triggers both systemic and mucosal humoral immunity in mice

Human infections with EHEC such as O157:H7 have been a great concern for worldwide food-industry surveillance. This pathogen is commonly associated with bloody diarrhea that can evolve to the life-threatening hemolytic uremic syndrome. Animals are the natural reservoir where this pathogen remains asymptomatically, in steps of ingestion and colonization of the bowel. The bacterium is shed in the feces, contaminating the surroundings, including water and food that are directed for human consumption. A major player in this colonization process is intimin, an outer membrane adhesion molecule encoded by the E. coli attachment and effacement (eae) gene that has been shown to be essential for intimate bacterial attachment to eukaryotic host cells. In an attempt to reduce the colonization of animal reservoirs with EHEC O157:H7, we designed a vaccine model to induce an immune response against intimin gamma. The model is based on its recombinant expression in attenuated Salmonella, used as a suitable vaccine vector because of its recognized ability to deliver recombinant antigens and to elicit all forms of immunity: mucosal, systemic, and humoral responses. To test this model, mice were orally immunized with a S. enterica serovar Typhimurium strain carrying the pYA3137eaeA vector, and challenged with E. coli O157:H7. Here we show that immunization induced the production of high levels of specific IgG and IgA antibodies and promoted reduction in the fecal shedding of EHEC after challenge. The live recombinant vaccine reported herein may contribute to the efforts of reducing animal intestinal mucosa colonization.

Strukturelle und molekulare Charakterisierung des Asialoglykoprotein-Rezeptors aus humaner Leber

Der Asialoglykoprotein-Rezeptor (ASGPR) vermittelt als integraler Bestandteil der Leberzellmembran die Endozytose von zirkulierenden Asialoglykoproteinen. Ziele dieser Arbeit waren proteinchemische Untersuchungen von funktionellem ASGPR aus humaner Leber aufgrund einer verbesserten Präparationsmethode und die rekombinante Darstellung der beiden Untereinheiten H1 und H2. In der denaturierenden SDS-PAGE erschienen H1 und H2 überwiegend als Monomere bei 46 und 50kD; nach Deglykosylierung ergaben sich Banden bei 34 und 32kD, wonach der Glykosidanteil etwa 28% beträgt. In der nicht-denaturierenden Größenausschluß-Chromatographie wurden im nativen ASGPR ausschließlich Trimere und Dimere gefunden. In Gegenwart von 2-Mercaptoethanol konnten funktionell eine aktive von einer nicht-aktiven Fraktion getrennt werden, wobei H2 in der nicht-aktiven Fraktion angereichert war, während sich H1 zu etwa gleichen Teilen in beiden Fraktionen befand. Durch zweidimensionale Auftrennung des deglykosylierten Rezeptors wurden auf Proteinebene vier Isoformen von H1 und zwei von H2 mit unterschiedlichen pI-Werten identifiziert. Der Vergleich von funktionellem ASGPR aus normaler Leber und den hepatischen Tumorzellinien HepG2 und Huh7 in der SDS-PAGE brachte Größenunterschiede von etwa sechs und vier Kilodalton hervor. Bei H1 konnte dies auf einen höheren Glykosylierungsgrad zurückgeführt werden, während H2 auch nach Behandlung mit N-GlykosidaseF ein größeres Molekulargewicht aufwies. Ein Antikörper gegen das Insertionspeptid im cytoplasmatischen Bereich einer Splice-Variante von H2 zeigte eine deutlich erhöhte Expression von H2 mit Insertion in Huh7-Zellen gegenüber natürlichem ASGPR. Da bisherige Kenntnisse über den humanen ASGPR vorwiegend aus kultivierten Hepatomzelllinien stammen, scheinen sie nicht ohne weiteres auf die Situation in normaler Leber übertragbar. Die Präparation von funktionellem H1 aus transfizierten cos7- und 293-Zellen führte zum gleichen Bandenmuster wie beim natürlichen ASGPR. Mit einem Enzymimmunoassay wurde die Eignung von rekombinantem H1 zur Detektion von Antikörpern gegen ASGPR in 177 von 178 Patientenseren gezeigt. Da durch Präinkubation mit rekombinantem Antigen die Reaktivität mit natürlichem Rezeptor inhibiert werden konnte, trägt H1 hauptsächlich die antigenen Stellen des ASGPR.

Mechanismen der Caveolin-Genregulation in neuralen Zellsystemen

Caveolae sind vesikuläre Invaginationen der eukaryontischen Zellmembran, die bei einer Vielzahl zellbiologischer Prozesse eine bedeutende Rolle spielen. Die strukturellen und funktionellen Hauptbestandteile der Caveolae sind die Caveolin-Proteine, welche von drei homologen Genen (Caveolin-1,-2,-3) kodiert werden. Die Caveoline stellen die Struktur-Organisatoren der Caveolae dar, und regulieren direkt die Aktivität von zahlreichen Caveolae-assoziierten Rezeptorproteinen und Signalmolekülen. Oftmals werden die pleiotropen Effekte der Caveoline über eine Veränderung der Caveolin-Genexpressionsstärke moduliert. In der vorliegenden Arbeit wurden drei unterschiedliche biologische Steuerfaktoren identifiziert, unter deren Kontrolle die Caveolin-Genexpression in neuralen Zellsystemen steht. Bei diesen Faktoren handelt es sich um das Steroidhormon Oestrogen und seine Rezeptoren, den Wachstumsfaktor TGFa und den sekundären Botenstoff zyklisches AMP (cAMP). Oestrogen wirkt über die Aktivierung von Oestrogen-Rezeptoren (ERs) im zentralen Nervensystem in der Regel als neurotropher Faktor. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmalig gezeigt werden, daß in humanen Neuroblastom-Zellen (SK-N-MC) die stabile, rekombinante Expression des ERa-Subtyps zu einer drastischen Reduktion der Caveolin-1/-2-Transkription führt, und daß in der Folge die zelluläre Caveolin-Biosynthese eingestellt wird. Eine Analyse des Caveolin-1-Gens ergab, daß einhergehend mit der Inaktivierung der Caveolin-1-Transkription eine Vielzahl der im Promoter enthaltenen CpG-Dinukleotide methyliert vorliegen. Durch pharmakologische Inhibition der nukleären DNA-Methyltransferasen sowie der Histon-Deacetylasen konnte die Caveolin-1-Transkription teilweise wiederhergestellt werden. Diese Befunde lassen auf die Existenz eines DNA-Methylierungs-abhängigen Stilllegungsmechanismus der Caveolin-Genexpression durch ERa schließen. Dagegen führte die Überexpression des ERb-Subtyps in SK-N-MC-Zellen zu keiner Veränderung der Caveolin-1/-2-Expression. Interessanterweise wurde die supprimierende Wirkung des ERa durch die gleichzeitige Überexpression des ERb vollständig aufgehoben. Der mitogene Wachstumsfaktor TGFa wurde als zweites extrazelluläres Signalmolekül identifiziert, welches eine Reduktion der Caveolin-1/-2-Genexpression bewirkt. In primären kortikalen Astrozyten konnte gezeigt werden, daß TGFa seine supprimierende Wirkung auf die Caveolin-1-Expression partiell über die Aktivierung des PI3-Kinase-abhängigen Signalweges vermittelt. Zudem wurde die supprimierende Wirkung von TGFa durch einen Inhibitior der Histon-Deacetylasen relativiert. Daher scheinen sowohl für den ERa als auch für TGFa epigenetische Prozesse bei der Suppression der Caveolin-1-Genexpression eine entscheidende Rolle zu spielen. Intrazellulär wirkte neben der PI3-Kinase auch der Botenstoff cAMP in kortikalen Astrozyten als Suppressor der Caveolin-Genexpression. Es wäre denkbar, daß die Caveolin-Suppression funktioneller Bestandteil des seit langem etablierten Effekts der cAMP-induzierten Astrozyten-Differenzierung ist. Desweiteren wiesen der cAMP- und TGFa-abhängige Signalweg ein überlappendes, Gehirnregion-spezifisches Regulationsprofil der Caveolin-Expression in Astrozyten auf: während in Kortex und Striatum eine Regulation durch cAMP und TGFa erfolgte, blieb diese in Klein- und Zwischenhirn aus. Somit bewirken drei zentrale regulatorische Faktoren der Proliferation und Differenzierung neuraler Zellen eine Reduktion in der Konzentration der pleiotrop funktionellen Caveoline. Zukünftige Studien müssen zeigen, inwieweit die reduzierte Caveolin-Expression für die morphologischen und biochemischen Primärwirkungen dieser Faktoren während der Entwicklung und im Zuge der Tumorgenese mitverantwortlich ist. Außerdem könnten über die Beobachtungen der zellbiologischen Auswirkungen reduzierter Caveolin-Spiegel neue Erkenntnisse über die Funktion dieser Proteine gewonnen werden.

Das Globingen-Repertoire von Amphibien und Teleostiern

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde die molekulare Evolution von Globinen in Amphibien und Teleostiern untersucht und Analysen zur Genexpression ausgewählter Globine durchgeführt. Die bisher besonders für die neueren Mitglieder der Superfamilie der Globine – Neuroglobin und Cytoglobin – schwerpunktmäßig in Mammaliern erbrachten Daten sollten durch die Analyse in Amphibien und Teleostiern auf ihre generelle Gültigkeit für Vertebraten überprüft werden. Die Analysen zur Genexpression wurden sowohl in silico, basierend auf genomischen wie EST-Daten, als auch experimentell durch qualitative und quantitative RT-PCR-Nachweise durchgeführt. Die mRNA-Lokalisation wurde durch in situ-Hybridisierungen an Gewebeschnitten beziehungsweise durch Whole mount in situ-Hybridisierung an ganzen Embryonen detektiert. In einem ersten Teil der Arbeit wurde das Globin-Repertoire von Xenopus tropicalis umfassend analysiert. Die Expressionsanalyse der gefundenen Globine umfasste nicht nur adulte Tiere, sonder erstmals auch detailliert die Entwicklungsstadien eines Vertebraten. Dabei wurde festgestellt, dass die vorwiegend neuronale Expression des streng konservierten Neuroglobins ein generelles Charakteristikum aller Tetrapoden ist und bereits in der frühembryonalen Entwicklung auftritt. Auch für das als Einzelkopie im Amphibiengenom vertretene Cytoglobin konnte eine strenge Sequenzkonservierung gezeigt werden. Das Expressionsmuster des Amphibien-Cytoglobins stimmte mit dem aus Mammaliern bekannten überein und zeigte konservierte Charakteristika dieses Globins bei Tetrapoden auf. Die Analyse des Xenopus-Genoms ergab zudem, dass Krallenfrösche nicht über Myoglobin verfügen. Genomische Vergleiche syntäner Genregionen ließen auf Rearrangements in diesem Genombereich im Verlauf der Evolution schließen, in deren Folge das Myoglobingen in den Krallenfröschen deletiert wurde. Die Hämoglobine wurden in Xenopus tropicalis erstmals in einem Amphibium umfassend analysiert. Die Gene zeigten demnach eine geclusterte Anordnung: der tropische Krallenfrosch verfügte über je ein funktionelles α- bzw. β-adultes und sieben bzw. vier α- bzw. β-larvale Hämoglobine, die während der Entwicklung bzw. in adulten Tieren charakteristisch exprimiert wurden. Die Analyse der Hämoglobine hinsichtlich ihrer Lage in einem Cluster, ihrer phylogenetischen Relation zueinander und nicht zuletzt ihres Expressionsmusters ließen Rückschlüsse auf ihre Evolution zu. Zusätzlich zu diesen bereits bekannten Globinen konnte im Rahmen dieser Dissertation das Globingen-Repertoirs von Xenopus um zwei weitere, bisher unbekannte Globine erweitert werden. Diese wurden entsprechend ihrer bisher unbekannten Funktion als GlobinX und GlobinY bezeichnet. Während GlobinY bisher ausschließlich in Amphibien nachgewiesen werden konnte, wurde GlobinX zudem in Teleostiern detektiert und repräsentiert damit ein auf Anamnia beschränktes Globin. Die rekombinante Proteinexpression von Neuroglobin, Cytoglobin, GlobinX und GlobinY des tropischen Krallenfrosches zeigte ein hexakoordiniertes Bindungsschema dieser Globine in ihrem Deoxy-Zustand. In einem zweiten Teil dieser Dissertation wurden Neuroglobin und Cytoglobin in Teleostiern untersucht und die Analyse für diese zwei Gene somit über die Tetrapoden hinaus auf den gesamten Stammbaum der Vertebraten ausgedehnt. Dabei wurde deutlich, dass die vorwiegend neuronale Expression des seit 420 Millionen Jahren streng konservierten Neuroglobins ein generelles Merkmal dieses Globins in allen Vertebraten ist. Der in Amphibien und Teleostiern erbrachte und mit Ergebnissen in Mammaliern übereinstimmende Nachweis von Neuroglobin in neuronalen Geweben mit einem hohen Stoffwechsel lässt derzeit eine Funktion dieses Globins im Sauerstoffmetabolimus als wahrscheinlich erscheinen. Ob Neuroglobin dabei als kurzzeitiger Sauerstoffspeicher, O2-Transoprter oder aber in der Detoxifikation reaktiver Sauerstoff- bzw. Stickstoffspezies agiert, bleibt zu untersuchen. Für Cytoglobin konnte eine offenbar alle Teleostier betreffende Genduplikation nachgewiesen werden. Phylogenetische Analysen zeigen die Monophylie der Vertebraten-Cytoglobine. Der Vergleich der paralogen Cytoglobine der Teleostier mit dem syntänen Genombereich des humanen Cytoglobins zeigte die wahrscheinliche Entstehung der Fisch-Cytoglobine durch eine Genomduplikation in einem Vorfahren aller Teleostier vor etwa 300-450 Millionen Jahren. Die paralogen Cytoglobine zeigten in Danio rerio und Tetraodon nigroviridis differierende, charakteristische Expressionsmuster, die mit der Theorie der Subfunktionalisierung von Genen in Folge eines Duplikationsereignisses kompatibel sind. Die Analyse zeigte, dass Cygb-1 prädominant in Gehirn und Herz exprimiert wurde, Cygb-2 hingegen bevorzugt in Gehirn und Auge. Dies bestätigte indirekt die Hypothese, nach der das Cytoglobin der Mammalier zwei unterschiedliche Funktionen in differenten Geweben wahrnimmt. Die rekombinante Expression von Cygb-1 des Zebrabärblings zeigte zudem, das auch dieses Globin in seiner Deoxy-Form über ein hexakoordiniertes Bindungsschema verfügt.

Die Schleimkeratine TK-alpha and TK-gamma des Zebrabärblings Danio rerio

Die Schleimkeratine TKα und TKγ aus dem Schleimaal Eptatretus stoutii besitzten für Keratine außergewöhnliche Eigenschaften. In speziellen Drüsen reifen die Schleimkeratine zu 3 µm dicken und bis zu 60 cm langen kabelartigen Filamenten heran und werden anschließend zur Feindabwehr ins umgebende Wasser extrazellulär sezerniert, wodurch die viskoelastischen Eigenschaften des Schleims modifiziert werden. Mittlerweile wurden die Schleimkeratine auch in höheren Wirbeltiergruppen (Knochenfische und Amphibien) entdeckt. Zu Beginn meiner Promotion war jedoch bis auf EST-Verteilungsprofile noch nichts über die Expression und Funktion der Schleimkeratine in diesen Organismen bekannt. rnIm Rahmen meiner Arbeit wurden die Schleimkeratine TKα und TKγ erstmalig im Zebrabärbling Danio rerio identifiziert und näher charakterisiert. Mittels rekombinanter Expression wurden TKα und TKγ in ausreichenden Mengen hergestellt und auf ihre Bindungseigenschaften hin untersucht. Hierbei konnte ich zeigen, dass TKα und TKγ einerseits miteinander Heteromere formen und andererseits, dass das TKα in der Lage ist, auch homopolymere Strukturen auszubilden. Letztere Eigenschaft wurde bisher noch bei keinem bekannten cytoplasmatischen Keratin beschrieben. Ergänzend zu diesen Untersuchungen wurde eine Expressionsanalyse durchgeführt. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Schleimkeratine im Zebrabärbling nicht extrazellulär sezerniert werden und zum anderen keine höheren, kabelartigen Strukturen ausformen. Vielmehr werden die Schleimkeratine bei adulten Tieren in den basalen Zellschichten der Epidermis exprimiert, welche keinen mechanischen Schutz in Form von Schuppen aufweisen (Stirnhautepidermis, Epidermis in Geweben zwischen den Flossenstrahlen). Innerhalb dieser Zellen formen die Schleimkeratine ein filamentöses Netzwerk aus, dass sich an der basalen Zellseite konzentriert. Eine mögliche Funktion von TKα und TKγ könnte demnach in der Erhöhung der mechanischen Integrität von stark beanspruchten Geweben liegen, die keinen Schutz in Form von Schuppen aufweisen. So werden TKα und TKγ in larvalen Entwicklungsstadien in der Epidermis, sowie im mechanisch stark beanspruchten Notochord koexprimiert. rnDa das Notochord im Zebrabärbling auch in entwicklungsbiologischen Vorgängen eine entscheidende Rolle spielt und weiterhin in aktuellen Untersuchungen am glatten Krallen-frosch Xenopus laevis Funktionen der Schleimkeratine TKα und TKγ innerhalb von Degenerationsprozessen während der Metamorphose nachgewiesen werden konnten, sind auch im Zebrabärbling Danio rerio Funktionen der Schleimkeratine TKα und TKγ im Rahmen von Entwicklungsprozessen denkbar.rn

Die Isolierung und Aufreinigung der Metalloendopeptidase LysN und die Evaluierung der Spezifität der LysN E157D-Mutante und ihr Einsatz in der Proteomik und die Mechanismen der Bildung von “dendritic cell aggresome- like induced structures“ (DALIS)

Der proteolytische Verdau von Proteinen in Peptide ist ein wichtiger Schritt in der Tandem-Massenspektrometrie. Dabei werden Peptide fragmentiert und die sich ergebenden Fragmentionen geben Aufschluss über die Aminosäuresequenz des zu untersuchenden Proteins. Dabei sind für die Fragmentierung sowohl Länge und Sequenz, als auch der Ladungszustand des Peptids ungemein wichtig. Diese Parameter bedingen sich durch Endoproteasen, die für den proteolytischen Verdau eingesetzt werden. Eine Voraussetzung hierfür ist die Spezifität der Protease. Trypsin ist bei weitem die gebräuchlichste Protease zur massenspektrometrischen Probenvorbereitung. Allerdings bietet Trypsin keine Komplettlösung. Je nach Fragestellung und Applikation müssen weitere Proteasen eingesetzt werden, um eine komplette Sequenzabdeckung zu gewährleisten und möglichst alle posttranslationalen Modifikationen nachzuweisen, oder bestimmte Proteomklassen (z.B Phosphoproteom