Development of Novel Activity-Based Probes for the Detection of Serine Proteases

Cystic Fibrosis (CF) is a genetic disease featuring a chronic cycle of inflammation and infection in the airways of sufferers. Mutations lead to altered ion transport, which in turn causes dehydrated airways and reduced mucociliary clearance which predisposes the patient to infection, resulting in a severe immune response and tissue destruction (1). Airway dehydration is primarily caused by the hyperabsorption of sodium by the epithelial sodium channel (ENaC) (2). ENaC is activated by the action of a number of predominantly trypsin-like Channel Activating Proteases (CAPs) including prostasin, matriptase and furin (3). Additional proteases known to activate ENaC include human airway trypsin (3), plasmin, neutrophil elastase and chymotrypsin (4).

Activity profiling is a valuable technique which involves the use of small inhibitory molecules called Activity-Based Probes (ABPs) which can be used to covalently label the active site of proteases and provide a range of information regarding its structure, catalytic mechanism, location and function within biological systems. The development of novel ABPs for CAPs, would enhance understanding of the role of these proteases in CF airways disease and in particular their role in ENaC activation and airway dehydration. This project investigates the application of a range of novel broad-spectrum ABPs targeting the various subclasses of serine proteases, to include those proteases involved in ENaC activation. Additionally, the application of more selective ABPs in detecting specific serine proteases is investigated.

Compounds were synthesised by Solid-Phase Peptide Synthesis (SPPS) using a standard Fmoc/tBu strategy. Kinetic evaluation of synthesised ABPs against various serine proteases was determined by fluorogenic steady-state enzyme assays. Furthermore, application of ABPs and confirmation of irreversible nature of the compounds was carried out through SDS-PAGE and electroblotting techniques.

Synthesised compounds showed potent irreversible inhibition of serine proteases within their respective targeting class (NAP855 vs Trypsin k3/Ki = 2.60 x 106 M-1 min-1, NFP849 vs Chymotrypsin k3/Ki = 1.28 x 106 M-1 min-1 and NVP800 vs Neutrophil Elastase k3/Ki = 6.41 x 104 M-1 min-1). Furthermore ABPs showed little to no cross-reactivity between classes and so display selectivity between classes. The irreversible nature of compounds was further demonstrated through labelling of proteases, followed by separation and detection via SDS-PAGE and electroblotting techniques. Targeted labelling of active proteases only, was demonstrated by failure of ABPs to detect previously inactivated proteases. Extension of the substrate recognition site within probes resulted in an increased potency and selectivity in the detection of the target proteases. Successful detection of neutrophil elastase from CF sputum samples by NVP800, demonstrated the application of compounds within biological samples and their potential use in identifying further proteases involved in ENaC activation and airway dehydration in CF patients.

Burkholderia cenocepacia and Salmonella enterica ArnT proteins that transfer 4-amino-4-deoxy-L-arabinose to lipopolysaccharide share membrane topology and functional amino acids

We recently demonstrated that incorporation of 4-amino-4-deoxy-l-arabinose (l-Ara4N) to the lipid A moiety of lipopolysaccharide (LPS) is required for transport of LPS to the outer membrane and viability of the Gram-negative bacterium Burkholderia cenocepacia. ArnT is a membrane protein catalyzing the transfer of l-Ara4N to the LPS molecule at the periplasmic face of the inner membrane, but its topology and mechanism of action are not well characterized. Here, we elucidate the topology of ArnT and identify key amino acids that likely contribute to its enzymatic function. PEGylation assays using a cysteineless version of ArnT support a model of 13 transmembrane helices and a large C-terminal region exposed to the periplasm. The same topological configuration is proposed for the Salmonella enterica serovar Typhimurium ArnT. Four highly conserved periplasmic residues in B. cenocepacia ArnT, tyrosine-43, lysine-69, arginine-254 and glutamic acid-493, were required for activity. Tyrosine-43 and lysine-69 span two highly conserved motifs, 42RYA44 and 66YFEKP70, that are found in ArnT homologues from other species. The same residues in S. enterica ArnT are also needed for function. We propose these aromatic and charged amino acids participate in either undecaprenyl phosphate-l-Ara4N substrate recognition or transfer of l-Ara4N to the LPS.

Structure-function relationships in a glycosyltransferase, a phosphatase and an oxidoreductase

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biochemistry

Regulation of Nedd4-2 self-ubiquitination and stability by a PY motif located within its HECT-domain.

Ubiquitin ligases play a pivotal role in substrate recognition and ubiquitin transfer, yet little is known about the regulation of their catalytic activity. Nedd4 (neural-precursor-cell-expressed, developmentally down-regulated 4)-2 is an E3 ubiquitin ligase composed of a C2 domain, four WW domains (protein-protein interaction domains containing two conserved tryptophan residues) that bind PY motifs (L/PPXY) and a ubiquitin ligase HECT (homologous with E6-associated protein C-terminus) domain. In the present paper we show that the WW domains of Nedd4-2 bind (weakly) to a PY motif (LPXY) located within its own HECT domain and inhibit auto-ubiquitination. Pulse-chase experiments demonstrated that mutation of the HECT PY-motif decreases the stability of Nedd4-2, suggesting that it is involved in stabilization of this E3 ligase. Interestingly, the HECT PY-motif mutation does not affect ubiquitination or down-regulation of a known Nedd4-2 substrate, ENaC (epithelial sodium channel). ENaC ubiquitination, in turn, appears to promote Nedd4-2 self-ubiquitination. These results support a model in which the inter- or intra-molecular WW-domain-HECT PY-motif interaction stabilizes Nedd4-2 by preventing self-ubiquitination. Substrate binding disrupts this interaction, allowing self-ubiquitination of Nedd4-2 and subsequent degradation, resulting in down-regulation of Nedd4-2 once it has ubiquitinated its target. These findings also point to a novel mechanism employed by a ubiquitin ligase to regulate itself differentially compared with substrate ubiquitination and stability.

Caractérisation structurale et thermodynamique de la reconnaissance du substrat par le ribozyme VS de Neurospora

Les interactions ARN/ARN de type kissing-loop sont des éléments de structure tertiaire qui jouent souvent des rôles clés chez les ARN, tant au niveau fonctionnel que structural. En effet, ce type d’interaction est crucial pour plusieurs processus dépendant des ARN, notamment pour l’initiation de la traduction, la reconnaissance des ARN antisens et la dimérisation de génome rétroviral. Les interactions kissing-loop sont également importantes pour le repliement des ARN, puisqu’elles permettent d’établir des contacts à longue distance entre différents ARN ou encore entre les domaines éloignés d’un même ARN. Ce type d’interaction stabilise aussi les structures complexes des ARN fonctionnels tels que les ARNt, les riborégulateurs et les ribozymes. Comme d’autres ARN fonctionnels, le ribozyme VS de Neurospora contient une interaction kissing-loop importante. Celle-ci est impliquée dans la reconnaissance du substrat et se forme entre la tige-boucle I (stem-loop I, SLI) du substrat et la tige-boucle V (stem-loop V, SLV) du domaine catalytique. Des études biochimiques ont démontré que l’interaction kissing-loop I/V, dépendante du magnésium, implique trois paires de bases Watson-Crick (W-C). De plus, cette interaction est associée à un réarrangement de la structure du substrat, le faisant passer d’une conformation inactive dite unshifted à une conformation active dite shifted. Les travaux présentés dans cette thèse consistent en une caractérisation structurale et thermodynamique de l’interaction kissing-loop I/V du ribozyme VS, laquelle est formée de fragments d’ARN représentant les tige-boucles I et V dérivées du ribozyme VS (SLI et SLV). Cette caractérisation a été réalisée principalement par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) et par titrage calorimétrique isotherme (isothermal titration calorimetry, ITC) en utilisant différents complexes SLI/SLV dans lesquels l’ARN SLV est commun à tous les complexes, alors que différentes variations de l’ARN SLI ont été utilisées, soit en conformation shiftable ou preshifted. Les données d’ITC ont permis de démontrer qu’en présence d’une concentration saturante de magnésium, l’affinité d’un substrat SLI preshifted pour SLV est extrêmement élevée, rendant cette interaction plus stable que ce qui est prédit pour un duplexe d’ARN équivalent. De plus, l’étude effectuée par ITC montre que des ARN SLI preshifted présentent une meilleure affinité pour SLV que des ARN SLI shiftable, ce qui a permis de calculer le coût énergétique associé au réarrangement de structure du substrat. En plus de confirmer la formation des trois paires de bases W-C prédites à la jonction I/V, les études de RMN ont permis d’obtenir une preuve structurale directe du réarrangement structural des substrats SLI shiftable en présence de magnésium et de l’ARN SLV. La structure RMN d’un complexe SLI/SLV de grande affinité démontre que les boucles terminales de SLI et SLV forment chacune un motif U-turn, ce qui facilite l’appariement W-C intermoléculaire. Plusieurs autres interactions ont été définies à l’interface I/V, notamment des triplets de bases, ainsi que des empilements de bases. Ces interactions contribuent d’ailleurs à la création d’une structure présentant un empilement continu, c’est-à-dire qui se propage du centre de l’interaction jusqu’aux bouts des tiges de SLI et SLV. Ces études de RMN permettent donc de mieux comprendre la stabilité exceptionnelle de l’interaction kissing-loop I/V au niveau structural et mènent à l’élaboration d’un modèle cinétique de l’activation du substrat par le ribozyme VS. En considérant l’ensemble des données d’ITC et de RMN, l’étonnante stabilité de l’interaction I/V s’explique probablement par une combinaison de facteurs, dont les motifs U-turn, la présence d’un nucléotide exclu de la boucle de SLV (U700), la liaison de cations magnésium et l’empilement de bases continu à la jonction I/V.

Études structurales par résonance magnétique nucléaire du ribozyme VS de Neurospora

Le ribozyme VS de Neurospora catalyse des réactions de clivage et de ligation d’un lien phosphodiester spécifique essentielles à son cycle de réplication. Il est formé de six régions hélicales (I à VI), qui se divisent en deux domaines, soit le substrat (SLI) et le domaine catalytique (tiges II à VI). Ce dernier comprend deux jonctions à trois voies qui permettent de reconnaître le substrat en tige-boucle de façon spécifique. Ce mode de reconnaissance unique pourrait être exploité pour cibler des ARN repliés pour diverses applications. Bien que le ribozyme VS ait été caractérisé biochimiquement de façon exhaustive, aucune structure à haute résolution du ribozyme complet n’a encore été publiée, ce qui limite la compréhension des mécanismes inhérents à son fonctionnement. Précédemment, une approche de divide-and-conquer a été initiée afin d’étudier la structure des sous-domaines importants du ribozyme VS par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) mais doit être complétée. Dans le cadre de cette thèse, les structures de la boucle A730 et des jonctions III-IV-V et II-III-VI ont été déterminées par spectroscopie RMN hétéronucléaire. De plus, une approche de spectroscopie RMN a été développée pour la localisation des ions divalents, tandis que diverses approches de marquage isotopique ont été implémentées pour l’étude d’ARN de plus grandes tailles. Les structures RMN de la boucle A730 et des deux jonctions à trois voies révèlent que ces sous-domaines sont bien définis, qu’ils sont formés de plusieurs éléments structuraux récurrents (U-turn, S-turn, triplets de bases et empilement coaxial) et qu’ils contiennent plusieurs sites de liaison de métaux. En outre, un modèle du site actif du ribozyme VS a été construit sur la base des similarités identifiées entre les sites actifs des ribozymes VS et hairpin. Dans l’ensemble, ces études contribuent de façon significative à la compréhension de l’architecture globale du ribozyme VS. De plus, elles permettront de construire un modèle à haute résolution du ribozyme VS tout en favorisant de futures études d’ingénierie.

El virus de l'hepatitis C i la ribonucleasa Phumana: aspectes biològics i terapèutics

El virus de l'hepatitis C (VHC) provoca una hepatitis crònica que afecta a més de 170 milions de persones d'arreu del món. És un virus petit que es classifica dins de la família Flaviviridae i és un virus d'RNA de cadena positiva amb un genoma d'aproximadament 9.600 nucleòtids. A l'extrem 5' del genoma viral s'hi troba una regió no codificant (5'NCR) que comprèn els primers 341 nucleòtids i la seva funció està relaciona amb la traducció. Immediatament després hi ha una pauta de lectura oberta ORF que acaba en un únic codó d'aturada i codifica una poliproteïna de 3.010 aminoàcids. A continuació l'extrem 3' no codificant (3'NCR), que malgrat es desconeixen les seves funcions exactes, s'ha demostrat que és essencial per a la replicació vírica. La única poliproteïna generada és processada co- i postraduccionalment mitjançant proteases de l'hoste i víriques, donant lloc a les proteïnes estructurals (Core, E1 i E2-p7) i no estructurals (NS2-NS5B). Igual que la majoria de virus RNA, el VHC es caracteritza per tenir una taxa de mutació elevada. De fet, el genoma del virus no es pot definir com una única seqüència sinó per una població de variants molt relacionades entre sí. A aquesta manera d'organitzar la informació genètica se l'anomena quasiespècie viral i una de les seves implicacions principals és la facilitat amb què sorgeixen resistents al tractament. Els tractaments disponibles són llargs, cars, provoquen efectes secundaris considerables i només es resolen completament el 40% dels casos. Per aquesta raó es busquen altres solucions terapèutiques per combatre el virus entre les quals s'hi inclouen diferents estratègies. Una de les més innovadores i prometedores és la utilització de ribozims dirigits directament contra el genoma del virus. Aquest treball es centra en l'estudi de les noves estratègies terapèutiques basades en ribozims, concretament la ribonucleasa P. La ribonucleasa P és un ribozim que està present en tots els organismes ja que és l'enzim responsable de la maduració dels precursors d'RNA de transferència. El més interessant a nivell terapèutic és que s'ha demostrat que es pot dirigir la seva activitat cap a qualsevol RNA utilitzant una seqüència guia d'RNA que quan hibrida amb l'RNA diana, l'híbrid imita l'estructura secundària del substrat natural. En el cas del VHC, s'han estudiat ribozims dependents de seqüència (ribozims derivats d'RNAs satèl·lits i de viroides de plantes), sempre dirigits contra la regió més conservada del virus per evitar una disminució de l'eficiència del ribozim deguda a la variació de la diana. La ribonucleasa P és una endonucleasa d'activitat molt específica i es diferencia dels altres ribozims naturals en el sistema de reconeixement del substrat, reconeix elements estructurals i no de seqüència. L'objectiu final del treball és tallar in vitro l'RNA del VHC aprofitant la propietat que presenta aquest ribozim de reconèixer elements estructurals i no de seqüència ja que per a un mateix nombre de seqüències, el nombre d'estructures viables que pot adoptar l'RNA genòmic és molt més petit i per tant la variabilitat de la diana disminueix. S'han estudiat dos models d'RNasa P, la RNasa P humana guiada per seqüència guia externa (EGS) i l'RNA M1 de l'RNasa P d'E.coli unit a la seqüència guia per l'extrem 3' (ribozim M1GS). Abans però de dirigir el ribozim, s'han estudiat l'estructura i la variabilitat d'una regió del genoma del virus ja que s'ha descrit que són factors que poden limitar l'eficiència de qualsevol ribozim. Derivat d'aquests estudis s'aporten dades sobre accessibilitat i variabilitat d'una regió interna del genoma del virus de l'hepatitis C, la zona d'unió de la regió E2/NS2 (regió 2658-2869). L'estudi d'accessibilitat revela que la regió 2658-2869 del genoma del virus conté dominis oberts i tancats i que la transició entre uns i altres no és brusca si es compara amb altres regions d'estructura coneguda (regió 5' no codificant). Els resultats dels assajos in vitro amb els dos models de RNasa P mostren que s'ha aconseguit dirigir tant la ribonucleasa P humana com el ribozim M1GS cap a una zona, predeterminada segons l'estudi d'accessibilitat, com a poc estructurada i tallar l'RNA del virus. De l'anàlisi de mutacions, però, es dedueix que la regió estudiada és variable. Tot i dirigir el ribozim cap a la zona més accessible, la variació de la diana podria afectar la interacció amb la seqüència guia i per tant disminuir l'eficiència de tall. Si es proposés una estratègia terapèutica consistiria en un atac simultani de vàries dianes.D'altra banda i derivat d'un resultat inesperat on s'ha observat en els experiments control que l'extracte de RNasa P humana tallava l'RNA viral en absència de seqüències guia externes, s'ha caracteritzat una nova interacció entre l'RNA del VHC i la RNasa P humana. Per a la identificació de l'enzim responsable dels talls s'han aplicat diferents tècniques que es poden dividir en mètodes directes (RNA fingerprinting) i indirectes (immunoprecipitació i inhibicions competitives). Els resultats demostren que la ribonucleasa P humana, i no un altre enzim contaminant de l'extracte purificat, és la responsable dels dos talls específics observats i que es localitzen, un a l'entrada interna al ribosoma (IRES) i molt a prop del codó AUG d'inici de la traducció i l'altre entre la regió codificant estructural i no estructural. La ribonucleasa P és un dels enzims del metabolisme del tRNA que s'utilitza per identificar estructures similars al tRNA en substrats diferents del substrat natural. Així doncs, el fet que la ribonucleasa P reconegui i talli el genoma del VHC en dues posicions determinades suggereix que, a les zones de tall, el virus conté estructures semblants al substrat natural, és a dir estructures tipus tRNA. A més, tot i que el VHC és molt variable, els resultats indiquen que aquestes estructures poden ser importants per el virus, ja que es mantenen en totes les variants naturals analitzades. Creiem que la seva presència podria permetre al genoma interaccionar amb factors cel·lulars que intervenen en la biologia del tRNA,particularment en el cas de l'estructura tipus tRNA que es localitza a l'element IRES. Independentment però de la seva funció, es converteixen en unes noves dianes terapèutiques per a la RNasa P. S'ha de replantejar però l'estratègia inicial ja que la similitud amb el tRNA les fa susceptibles a l'atac de la ribonucleasa P, directament, en absència de seqüències guia externes.

Catalytic properties of thimet oligopeptidase H600A mutant

Thimet oligopeptidase (EC 3.4.24.15, TOP) is a metallo-oligopeptidase that participates in the intracellular metabolism of peptides. Predictions based on structurally analogous peptidases (Dcp and ACE-2) show that TOP can present a hinge-bend movement during substrate hydrolysis, what brings some residues closer to the substrate. One of these residues that in TOP crystallographic structure are far from the catalytic residues, but, moves toward the substrate considering this possible structural reorganization is His(600). In the present work, the role of His(600) of TOP was investigated by site-directed mutagenesis. TOP H600A mutant was characterized through analysis of S(1) and S(1)`, specificity, pH-activity profile and inhibition by JA-2. Results showed that TOP His(600) residue makes important interactions with the substrate, supporting the prediction that His(600) moves toward the substrate due to a hinge movement similar to the Dcp and ACE-2. Furthermore, the mutation H600A affected both K(m) and k(cat), showing the importance of His(600) for both substrate binding and/or product release from active site. Changes in the pH-profile may indicate also the participation of His(600) in TOP catalysis, transferring a proton to the newly generated NH(2)-terminus or helping Tyr(605) and/or Tyr(612) in the intermediate oxyanion stabilization. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.

Structural basis for branching-enzyme activity of glycoside hydrolase family 57: Structure and stability studies of a novel branching enzyme from the hyperthermophilic archaeon Thermococcus Kodakaraensis KOD1

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

Kinetic and mechanistic characterization of the Sphingomyelinases D from Loxosceles intermedia spider venom

Envenomation by arachnids of the genus Loxosceles leads to local dermonecrosis and serious systemic toxicity mainly induced by sphingomyelinases D (SMase D). These enzymes catalyze the hydrolysis of sphingomyelin resulting in the formation of ceramide-phosphate and choline as well as the cleavage of lysophosphatidyl choline generating the lipid mediator lysophosphatidic acid. We have, previously, cloned and expressed two functional SMase D isoforms, named P1 and P2, from Loxosceles intertnedia venom and comparative protein sequence analysis revealed that they are highly homologous to SMase I from Loxosceles laeta which folds to form an (alpha/beta)(8) barrel. In order to further characterize these proteins, pH dependence kinetic experiments and chemical modification of the two active SMases D isoforms were performed. We show here that the amino acids involved in catalysis and in the metal ion binding sites are strictly conserved in the SMase D isoforms from L. intermedia. However, the kinetic studies indicate that SMase P1 hydrolyzes sphingomyelin less efficiently than P2, which can be attributed to a substitution at position 203 (Pro-Leu) and local amino acid substitutions in the hydrophobic channel that could probably play a role in the substrate recognition and binding. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Functional and structural analysis of two fibrinogen-activating enzymes isolated from the venoms of Crotalus durissus terrificus and Crotalus durissus collilineatus

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

Crystal structure of Staphylococcus aureus exfoliative toxin D-like protein: structural basis for the high specificity of exfoliative toxins

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

Polymerizing activity and regulation of group B Streptococcus pilus 2a sortase C1

Group B Streptococcus [GBS; Streptococcus agalactiae] is the leading cause of life-threatening diseases in newborn and is also becoming a common cause of invasive diseases in non-pregnant, elderly and immune-compromised adults. Pili, long filamentous fibers protruding from the bacterial surface, have been discovered in GBS, as important virulence factors and vaccine candidates. Gram-positive bacteria build pili on their cell surface via a class C sortase-catalyzed transpeptidation mechanism from pilin protein substrates. Despite the availability of several crystal structures, pilus-related C sortases remain poorly characterized to date and their mechanisms of transpeptidation and regulation need to be further investigated. The available three-dimensional structures of these enzymes reveal a typical sortase fold except for the presence of a unique feature represented by an N-terminal highly flexible loop, known as the “lid”. This region interacts with the residues composing the catalytic triad and covers the active site, thus maintaining the enzyme in an auto-inhibited state and preventing the accessibility to the substrate. It is believed that enzyme activation may occur only after lid displacement from the catalytic domain. In this work we provide the first direct evidence of the regulatory role of the lid, demonstrating that it is possible to obtain in vitro an efficient polymerization of pilin subunits using an active C sortase lid mutant carrying a single residue mutation in the lid region. Moreover, biochemical analyses of this recombinant mutant reveal that the lid confers thermodynamic and proteolytic stability to the enzyme. A further characterization of this sortase active mutant showed promiscuity in the substrate recognition, as it is able to polymerize different LPXTG-proteins in vitro.

Lysosomaler Transport kationischer Aminosäuren durch Mitglieder der SLC7-Familie

Lysosomaler Transport kationischer Aminosäuren (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 für die endotheliale NO-Synthase (eNOS) dar. Das von der eNOS gebildete NO ist ein wichtiges vasoprotektiv wirkendes Signalmolekül. Ziel war es daher, herauszufinden, ob Mitglieder der SLC7-Unterfamilie hCAT möglicherweise System c repräsentieren.rnIn dieser Arbeit konnte ich die lysosomale Lokalisation verschiedener endogener, sowie als EGFP-Fusionsproteine überexprimierter CAT-Isoformen nachweisen. Mittels Fluoreszenz-mikroskopie wurde festgestellt, dass die in U373MG-Zellen überexprimierten 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. Zusätzlich reicherten sich die überexprimierten 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 für den endogenen hCAT-1 in der lysosomalen Fraktion C aus EA.hy926- und U373MG-Zellen sowie für den SLC7A14 in den humanen Hautfibroblasten FCys5. Mit dem im Rahmen dieser Arbeit generierte Antikörper 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 führte, 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 höher als in die Fraktion C aus EGFP-Kontrollzellen. Dies konnte ebenfalls für den hCAT-2B.EGFP gezeigt werden. Zusätzlich zeigten lysosomale Proben aus U373MG-hCAT-2B.EGFP-Zellen in der SSM-basierten Elektrophysiologie eine elektrogene Transportaktivität für Arginin. Das Protein SLC7A14.EGFP zeigte in keiner der beiden durchgeführten Transportstudien eine Aktivität. Dies war unerwartet, da die aus der Diplomarbeit stammende und im Rahmen dieser Dissertation erweiterte Charakterisierung der hCAT-2/A14_BK-Chimäre, die die „funktionelle Domäne“ des SLC7A14 im Rückgrat des hCAT-2 trug, zuvor den Verdacht erhärtet hatte, dass SLC7A14 ein lysosomal lokalisierter Transporter für KAS sein könnte. Diese Studien zeigten allerding erstmals, dass die „funktionelle Domäne“ der hCATs die pH-Abhängigkeit vermittelt und eine Rolle in der Substraterkennung spielt.rnZukünftig soll weiter versucht werden auch endogen eine Transportaktivität der hCATs für KAS im Lysosom nachzuweisen und das Substrat für das intrazellulär lokalisierte Waisen-Protein SLC7A14 zu finden. Eine mögliche Rolle könnte SLC7A14 als Transporter für Neurotransmitter spielen, da eine sehr prominente Expression im ZNS festgestellt wurde.rn

Funktionelle Analyse der onkologisch relevanten Protease Threonin-Aspartase 1

Krebs stellt eine der häufigsten Todesursachen in Europa dar. Grundlage für eine langfristige Verbesserung des Behandlungserfolgs ist ein molekulares Verständnis der Mechanismen, welche zur Krankheitsentstehung beitragen. In diesem Zusammenhang spielen Proteasen nicht nur eine wichtige Rolle, sondern stellen auch bei vielerlei Erkrankungen bereits anerkannte Zielstrukturen derzeitiger Behandlungsstrategien dar. Die Protease Threonin Aspartase 1 (Taspase1) spielt eine entscheidende Rolle bei der Aktivierung von Mixed Lineage Leukemia (MLL)-Fusionsproteinen und somit bei der Entstehung aggressiver Leukämien. Aktuelle Arbeiten unterstreichen zudem die onkologische Relevanz von Taspase1 auch für solide Tumore. Die Kenntnisse über die molekularen Mechanismen und Signalnetzwerke, welche für die (patho)biologischen Funktionen von Taspase1 verantwortlich sind, stellen sich allerdings noch immer als bruchstückhaft dar. Um diese bestehenden Wissenslücken zu schließen, sollten im Rahmen der Arbeit neue Strategien zur Inhibition von Taspase1 erarbeitet und bewertet werden. Zusätzlich sollten neue Einsichten in evolutionären Funktionsmechanismen sowie eine weitergehende Feinregulation von Taspase1 erlangt werden. Zum einen erlaubte die Etablierung und Anwendung eines zellbasierten Taspase1-Testsystem, chemische Verbindungen auf deren inhibitorische Aktivität zu testen. Überraschenderweise belegten solch zelluläre Analysen in Kombination mit in silico-Modellierungen eindeutig, dass ein in der Literatur postulierter Inhibitor in lebenden Tumorzellen keine spezifische Wirksamkeit gegenüber Taspase1 zeigte. Als mögliche Alternative wurden darüber hinaus Ansätze zur genetischen Inhibition evaluiert. Obwohl publizierte Studien Taspase1 als ααββ-Heterodimer beschreiben, konnte durch Überexpression katalytisch inaktiver Mutanten kein trans-dominant negativer Effekt und damit auch keine Inhibition des wildtypischen Enzyms beobachtet werden. Weiterführende zellbiologische und biochemische Analysen belegten erstmalig, dass Taspase1 in lebenden Zellen in der Tat hauptsächlich als Monomer und nicht als Dimer vorliegt. Die Identifizierung evolutionär konservierter bzw. divergenter Funktionsmechanismen lieferte bereits in der Vergangenheit wichtige Hinweise zur Inhibition verschiedenster krebsrelevanter Proteine. Da in Drosophila melanogaster die Existenz und funktionelle Konservierung eines Taspase1-Homologs postuliert wurde, wurde in einem weiteren Teil der vorliegenden Arbeit die evolutionäre Entwicklung der Drosophila Taspase1 (dTaspase1) untersucht. Obwohl Taspase1 als eine evolutionär stark konservierte Protease gilt, konnten wichtige Unterschiede zwischen beiden Orthologen festgestellt werden. Neben einem konservierten autokatalytischen Aktivierungsmechanismus besitzt dTaspase1 verglichen mit dem humanen Enzym eine flexiblere Substraterkennungs-sequenz, was zu einer Vergrößerung des Drosophila-spezifischen Degradoms führt. Diese Ergebnisse zeigen des Weiteren, dass zur Definition und Vorhersage des Degradoms nicht nur proteomische sondern auch zellbiologische und bioinformatische Untersuchungen geeignet und notwendig sind. Interessanterweise ist die differentielle Regulation der dTaspase1-Aktivität zudem auf eine veränderte intrazelluläre Lokalisation zurückzuführen. Das Fehlen von in Vertebraten hochkonservierten aktiven Kernimport- und nukleolären Lokalisationssignalen erklärt, weshalb dTaspase1 weniger effizient nukleäre Substrate prozessiert. Somit scheint die für die humane Taspase1 beschriebene Regulation von Lokalisation und Aktivität über eine Importin-α/NPM1-Achse erst im Laufe der Entwicklung der Vertebraten entstanden zu sein. Es konnte also ein bislang unbekanntes evolutionäres Prinzip identifiziert werden, über welches eine Protease einen Transport- bzw. Lokalisations-basierten Mechanismus zur Feinregulation ihrer Aktivität „von der Fliege zum Menschen“ nutzt. Eine weitere Möglichkeit zur dynamischen Funktionsmodulation bieten post-translationale Modifikationen (PTMs) der Proteinsequenz, zu welcher Phosphorylierung und Acetylierung zählen. Interessanterweise konnte für die humane Taspase1 über den Einsatz unabhängiger Methoden einschließlich massenspektrometrischer Analysen eine Acetylierung durch verschiedene Histon-Acetyltransferasen (HATs) nachgewiesen werden. Diese Modifikation erfolgt reversibel, wobei vor allem die Histon-Deacetylase HDAC1 durch Interaktion mit Taspase1 die Deacetylierung der Protease katalysiert. Während Taspase1 in ihrer aktiven Konformation acetyliert vorliegt, kommt es nach Deacetylierung zu einer Reduktion ihrer enzymatischen Aktivität. Somit scheint die Modulation der Taspase1-Aktivität nicht allein über intra-proteolytische Autoaktivierung, Transport- und Interaktionsmechanismen, sondern zudem durch post-translationale Modifikationen gesteuert zu werden. Zusammenfassend konnten im Rahmen dieser Arbeit entscheidende neue Einblicke in die (patho)biologische Funktion und Feinregulation der Taspase1 gewonnen werden. Diese Ergebnisse stellen nicht nur einen wichtigen Schritt in Richtung eines verbesserten Verständnis der „Taspase1-Biologie“, sondern auch zur erfolgreichen Inhibition und Bewertung der krebsrelevanten Funktion dieser Protease dar.