alpha 1-Acid Glycoprotein Decreases Neutrophil Migration and Increases Susceptibility to Sepsis in Diabetic Mice

The mechanisms underlying immune deficiency in diabetes are largely unknown. In the present study, we demonstrate that diabetic mice are highly susceptible to polymicrobial sepsis due to reduction in rolling, adhesion, and migration of leukocytes to the focus of infection. In addition, after sepsis induction, CXCR2 was strongly downregulated in neutrophils from diabetic mice compared with nondiabetic mice. Furthermore, CXCR2 downregulation was associated with increased G-protein coupled receptor kinase 2 (GRK2) expression in these cells. Different from nondiabetic mice, diabetic animals submitted to mild sepsis displayed a significant augment in alpha 1-acid glycoprotein (AGP) hepatic mRNA expression and serum protein levels. Administration of AGP in nondiabetic mice subjected to mild sepsis inhibited the neutrophil migration to the focus of infection, as well as induced t-selectin shedding and rise in CD11b of blood neutrophils. Insulin treatment of diabetic mice reduced mortality rate, prevented the failure of neutrophil migration, impaired GRK2-mediated CXCR2 downregulation, and decreased the generation of AGP. Finally, administration of AGP abolished the effect of insulin treatment in diabetic mice. Together, these data suggest that AGP may be involved in reduction of neutrophil migration and increased susceptibility to sepsis in diabetic mice. Diabetes 61:1584-1591, 2012

Effect of light sources and curing mode techniques on sorption, solubility and biaxial flexural strength of a composite resin

Adequate polymerization plays an important role on the longevity of the composite resin restorations. Objectives: The aim of this study was to evaluate the effect of light-curing units, curing mode techniques and storage media on sorption, solubility and biaxial flexural strength (BFS) of a composite resin. Material and Methods: Two hundred and forty specimens were made of one composite resin (Esthet-X) in a stainless steel mold (2 mm x 8 mm 0), and divided into 24 groups (n=10) established according to the 4 study factors: light-curing units: quartz tungsten halogen (QTH) lamp and light-emitting diodes (LED); energy densities: 16 J/cm(2) and 20 J/cm(2); curing modes: conventional (CM) and pulse-delay (PD); and permeants: deionized water and 75% ethanol for 28 days. Sorption and solubility tests were performed according to ISO 4049:2000 specifications. All specimens were then tested for BFS according to ASTM F394-78 specification. Data were analyzed by three-way ANOVA followed by Tukey, Kruskal-Wallis and Mann-Whitney tests (alpha=0.05). Results: In general, no significant differences were found regarding sorption, solubility or BFS means for the light-curing units and curing modes (p>0.05). Only LED unit using 16 J/cm(2) and PD using 10 s produced higher sorption and solubility values than QTH. Otherwise, using CM (16 J/cm(2)), LED produced lower values of BFS than QTH (p<0.05). 75% ethanol permeant produced higher values of sorption and solubility and lower values of BFS than water (p<0.05). Conclusion: Ethanol storage media produced more damage on composite resin than water. In general the LED and QTH curing units using 16 and 20 J/cm(2) by CM and PD curing modes produced no influence on the sorption, solubility or BFS of the tested resin.

Compression stockings have a synergistic effect with walking in the late afternoon to reduce edema of the lower limbs

Aim. The aim of this study was to evaluate whether an association of elastic stockings and walking for a short period in the late afternoon reduces leg edema. Methods. Volume changes of the legs of sixteen patients (32 limbs), who walked on a treadmill for 30 minutes using elastic compression stockings, were analyzed in a quantitative, cross-over randomized (in order of arrival at the clinic) study. They were submitted to volumetry using the water displacement technique and subsequently required to put on 20/30 made-to-measure compression stockings (Sigvaris). The patients walked on a treadmill for 30 minutes and after removing the stockings volumetry of the legs was again performed. Legs were assessed using the CEAP classification and divided into groups. Analysis of variance was used for statistical analysis with an alpha error of 5% being considered acceptable. Results. When participants walked wearing compression stockings, there was a reduction in leg volume. When the CEAP classification was evaluated, it was noted that there was a statistically significant difference for the CEAP C0, C1 and C2 categories of legs using stockings compared to those that did not use. Conclusion. Compression stockings have a synergistic effect with walking in the late afternoon thus reducing edema of the lower limbs. [Int Angiol 2012;31:490-3]

Cross-taxon congruence of alpha and beta diversity among five leaf litter arthropod groups in Colombia

In this study alpha and beta diversity patterns of five leaf litter arthropod groups (ants, predatory ants, oribatid mites, spiders and other arachnids) were described and compared in 39 sampling patches of a transformed landscape in southwestern Colombia, that represented five vegetation types: secondary forest, riparian forest, giant bamboo forest, pasture and sugarcane crop. It was also assessed whether some taxa could be used as diversity surrogates. A total of 6,765 individuals grouped in 290 morphospecies were collected. Species richness in all groups was lower in highly transformed vegetation types (pasture, sugarcane crop) than in native ones (forests). In contrast, there were no clear tendencies of beta diversity among vegetation types. Considering sampling patches, 0.1-42% of the variation in alpha diversity of one taxonomic group could be explained from the alpha diversity of another, and 0.2-33% of the variation of beta diversity of a given taxon was explained by that in other groups. Contrary to recent findings, we concluded that patterns of alpha diversity are more congruent than patterns of beta diversity. This fact could be attributed to a sampling effect that promotes congruence in alpha diversity and to a lack of a clear regional ecological gradient that could promote congruent patterns of beta diversity. We did not find evidence for an ideal diversity surrogate although diversity patterns of predatory ants had the greatest congruencies. These results support earlier multi-taxon evaluations in that conservation planning should not be based on only one leaf litter arthropod group.

Associations of the TNF-alpha-308 G/A, IL6-174 G/C and AdipoQ 45 T/G polymorphisms with inflammatory and metabolic responses to lifestyle intervention in Brazilians at high cardiometabolic risk

Background: Cytokines secreted by the adipose tissue influence inflammation and insulin sensitivity, and lead to metabolic disturbances. How certain single-nucleotide polymorphisms (SNPs) interfere on lifestyle interventions is unclear. We assessed associations of selected SNPs with changes induced by a lifestyle intervention. Methods: This 9-month intervention on diet and physical activity included 180 Brazilians at high cardiometabolic risk, genotyped for the TNF-alpha -308 G/A, IL-6 -174 G/C and AdipoQ 45 T/G SNPs. Changes in metabolic and inflammatory variables were analyzed according to these SNPs. Individuals with at least one variant allele were grouped and compared with those with the reference genotype. Results: In the entire sample (66.7% women; mean age 56.5 +/- 11.6 years), intervention resulted in lower energy intake, higher physical activity, and improvement in anthropometry, plasma glucose, HOMA-IR, lipid profile and inflammatory markers, except for IL-6 concentrations. After intervention, only variant allele carriers of the TNF-alpha -308 G/A decreased plasma glucose, after adjusting for age and gender (OR 2.96, p = 0.025). Regarding the IL-6 -174 G/C SNP, carriers of the variant allele had a better response of lipid profile and adiponectin concentration, but only the reference genotype group decreased plasma glucose. In contrast to individuals with the reference genotype, carriers of variant allele of AdipoQ 45 T/G SNP did not change plasma glucose, apolipoprotein B, HDL-c and adiponectin concentrations in response to intervention. Conclusion: The TNF alpha -308 G/A SNP may predispose a better response of glucose metabolism to lifestyle intervention. The IL-6 -174 G/C SNP may confer a beneficial effect on lipid but not on glucose metabolism. Our findings reinforce unfavorable effects of the AdipoQ 45 T/G SNP in lipid profile and glucose metabolism after intervention in Brazilians at cardiometabolic risk. Further studies are needed to direct lifestyle intervention to subsets of individuals at cardiometabolic risk.

The effect of CCL3 and CCR1 in bone remodeling induced by mechanical loading during orthodontic tooth movement in mice

Bone remodeling is affected by mechanical loading and inflammatory mediators, including chemokines. The chemokine (C–C motif) ligand 3 (CCL3) is involved in bone remodeling by binding to C–C chemokine receptors 1 and 5 (CCR1 and CCR5) expressed on osteoclasts and osteoblasts. Our group has previously demonstrated that CCR5 down-regulates mechanical loading-induced bone resorption. Thus, the present study aimed to investigate the role of CCR1 and CCL3 in bone remodeling induced by mechanical loading during orthodontic tooth movement in mice. Our results showed that bone remodeling was significantly decreased in CCL3−/− and CCR1−/− mice and in animals treated with Met-RANTES (an antagonist of CCR5 and CCR1). mRNA levels of receptor activator of nuclear factor kappa-B (RANK), its ligand RANKL, tumor necrosis factor alpha (TNF-α) and RANKL/osteoprotegerin (OPG) ratio were diminished in the periodontium of CCL3−/− mice and in the group treated with Met-RANTES. Met-RANTES treatment also reduced the levels of cathepsin K and metalloproteinase 13 (MMP13). The expression of the osteoblast markers runt-related transcription factor 2 (RUNX2) and periostin was decreased, while osteocalcin (OCN) was augmented in CCL3−/− and Met-RANTES-treated mice. Altogether, these findings show that CCR1 is pivotal for bone remodeling induced by mechanical loading during orthodontic tooth movement and these actions depend, at least in part, on CCL3.

Effect of Echium oil compared with marine oils on lipid profile and inhibition of hepatic steatosis in LDLr knockout mice

Abstract Background In an effort to identify new alternatives for long-chain n-3 polyunsaturated fatty acids (LC n-3 PUFA) supplementation, the effect of three sources of omega 3 fatty acids (algae, fish and Echium oils) on lipid profile and inflammation biomarkers was evaluated in LDL receptor knockout mice. Methods The animals received a high fat diet and were supplemented by gavage with an emulsion containing water (CON), docosahexaenoic acid (DHA, 42.89%) from algae oil (ALG), eicosapentaenoic acid (EPA, 19.97%) plus DHA (11.51%) from fish oil (FIS), and alpha-linolenic acid (ALA, 26.75%) plus stearidonic acid (SDA, 11.13%) from Echium oil (ECH) for 4 weeks. Results Animals supplemented with Echium oil presented lower cholesterol total and triacylglycerol concentrations than control group (CON) and lower VLDL than all of the other groups, constituting the best lipoprotein profile observed in our study. Moreover, the Echium oil attenuated the hepatic steatosis caused by the high fat diet. However, in contrast to the marine oils, Echium oil did not affect the levels of transcription factors involved in lipid metabolism, such as Peroxisome Proliferator Activated Receptor α (PPAR α) and Liver X Receptor α (LXR α), suggesting that it exerts its beneficial effects by a mechanism other than those observed to EPA and DHA. Echium oil also reduced N-6/N-3 FA ratio in hepatic tissue, which can have been responsible for the attenuation of steatosis hepatic observed in ECH group. None of the supplemented oils reduced the inflammation biomarkers. Conclusion Our results suggest that Echium oil represents an alternative as natural ingredient to be applied in functional foods to reduce cardiovascular disease risk factors.

Associations of the TNF-alpha -308 G/A, IL6 -174 G/C and AdipoQ 45 T/G polymorphisms with inflammatory and metabolic responses to lifestyle intervention in Brazilians at high cardiometabolic risk

Abstract Background Cytokines secreted by the adipose tissue influence inflammation and insulin sensitivity, and lead to metabolic disturbances. How certain single-nucleotide polymorphisms (SNPs) interfere on lifestyle interventions is unclear. We assessed associations of selected SNPs with changes induced by a lifestyle intervention. Methods This 9-month intervention on diet and physical activity included 180 Brazilians at high cardiometabolic risk, genotyped for the TNF-α -308 G/A, IL-6 -174 G/C and AdipoQ 45 T/G SNPs. Changes in metabolic and inflammatory variables were analyzed according to these SNPs. Individuals with at least one variant allele were grouped and compared with those with the reference genotype. Results In the entire sample (66.7% women; mean age 56.5 ± 11.6 years), intervention resulted in lower energy intake, higher physical activity, and improvement in anthropometry, plasma glucose, HOMA-IR, lipid profile and inflammatory markers, except for IL-6 concentrations. After intervention, only variant allele carriers of the TNF-α -308 G/A decreased plasma glucose, after adjusting for age and gender (OR 2.96, p = 0.025). Regarding the IL6 -174 G/C SNP, carriers of the variant allele had a better response of lipid profile and adiponectin concentration, but only the reference genotype group decreased plasma glucose. In contrast to individuals with the reference genotype, carriers of variant allele of AdipoQ 45 T/G SNP did not change plasma glucose, apolipoprotein B, HDL-c and adiponectin concentrations in response to intervention. Conclusion The TNFα -308 G/A SNP may predispose a better response of glucose metabolism to lifestyle intervention. The IL-6 -174 G/C SNP may confer a beneficial effect on lipid but not on glucose metabolism. Our findings reinforce unfavorable effects of the AdipoQ 45 T/G SNP in lipid profile and glucose metabolism after intervention in Brazilians at cardiometabolic risk. Further studies are needed to direct lifestyle intervention to subsets of individuals at cardiometabolic risk.

Überexpression und Charakterisierung des extrazellulären Teils der humanen alpha-Sekretase ADAM10

„ÜBEREXPRESSION UND CHARAKTERISIERUNG DES EXTRAZELLULÄREN TEILS DER HUMANEN alpha-SEKRETASE ADAM10“ ALEXANDRA LEPTICH Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei enzymatisch aktive lösliche Proteinvarianten der humanen alpha-Sekretase ADAM10 in Insektenzellen exprimiert, gereinigt und charakterisiert. Dabei entsprach eine der löslichen ADAM10-Varianten dem extrazellulären Bereich des Typ-I-Membranproteins, d.h. ihr fehlte die Transmembran- und cytoplasmatische Domäne. Die zweite Variante stimmt mit einer im menschlichen Gehirn auf mRNA-Ebene nachgewiesenen Splicevariante überein, die zusätzlich noch durch das Fehlen der Cystein-reichen Domäne gekennzeichnet ist. Die alpha-Sekretase ADAM10 spielt eine wichtige Rolle bei der nicht-amyloidogenen Prozessierung des Amyloid-Vorläufer-Proteins (APP). Dabei erfolgt dessen Spaltung innerhalb der beta-Amyloidsequenz, so dass die Produktion von Abeta-Peptiden und damit die Bildung von Amyloid-Plaques während der Alzheimer’schen Erkrankung verhindert wird. Nach der Expression der beiden löslichen ADAM10-Proteine in Insektenzellen erfolgte die Reinigung der prozessierten und damit reifen Enzymform der jeweiligen ADAM10-Proteinvariante mittels Lektin-Affinitätschromatographie. Die anschließende Charakterisierung der beiden löslichen ADAM10-Proteine erfolgte durch einen auf HPLC-Analyse basierenden Enzymtest. Dabei wurden verschiedene sich von der beta-Amyloid-Sequenz ableitenden Peptidsubstrate in vitro eingesetzt, die zum einen den Aminosäuren 11-28 der Abeta-Sequenz, zum anderen dem kompletten Abeta40-Peptid entsprachen und damit die charakteristische alpha-Sekretasespaltstelle des Amyloid-Vorläufer-Proteins enthielten. Des Weiteren kamen jeweils entsprechende Peptidsubstrate zum Einsatz, die an den Positionen 21 und 22 der Abeta- Peptidsequenz vorkommenden Mutationen trugen. Die gewählten Abeta-Substrate konnten durch die löslichen Varianten der alpha-Sekretase ADAM10 an der alpha-Sekretasestelle gespalten werden. Dabei konnte bei den Abeta11-28-Peptiden deutlich die in der Literatur beschriebene Abhängigkeit der Spaltung von der a-helicalen Struktur des Substrats beobachtet werden, während bei den längeren Abeta40-Peptide diesbezüglich kein Zusammenhang hergestellt werden konnte. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass ADAM10 hauptsächlich als alpha-Sekretase wirkt, weniger als ein Abeta-degradierendes Enzym. Ferner konnte unter Verwendung entsprechender muriner und humaner Abeta-Peptide eine verstärkte Spaltung der murinen Substrate Abeta1-28 und Abeta1-40 durch den extrazellulären Teil von ADAM10 in vitro gezeigt werden. Dieser Versuch bestätigt die Annahme, dass es bei Nagetieren durch die Bevorzugung der nichtamyloidogenen Prozessierung von APP durch die alpha-Sekretase ADAM10 zu keiner Bildung von Amyloid-Plaques kommt. Ein Einfluss auf die Spaltung von membrangebundenem APP und damit der Bildung von neuroprotektivem sAPPalpha durch die löslichen ADAM10-Proteine konnte im Zellsystem nicht beobachtet werden. Vielmehr scheint hier die Membranverankerung von Enzym und Substrat eine wichtige Voraussetzung zu bilden. Des Weiteren konnten die löslichen ADAM10-Proteine durch ein für die Inhibierung von ADAM10 spezifische Hydroxamat-Derivat in ihrer enzymatischen Aktivität gehemmt werden. Die exprimierten ADAM10-Proteine weisen die charakteristischen Eigenschaften der alpha-Sekretase ADAM10 auf, wobei deutlich wurde, dass das Fehlen der Cystein-reichen Domäne keinen Einfluss auf die Fähigkeit der katalytischen Domäne zur Substrat- und Inhibitorbindung hatte. Auch die Stabilität des Enzyms wurde durch das Fehlen der Domäne nicht negativ beeinträchtigt. Eine wichtige Aufgabe stellt nun der Nachweis der löslichen ADAM10-Proteine sowie die Identifizierung ihrer potentiellen Substrate und deren Lokalisation in vivo dar.

1,2-Additionen deprotonierter Alpha-Aminonitrile: Umgepolte Imine als vielseitige Synthesebausteine

Von aromatischen Aldehyden abgeleitete α-Aminonitrile können ohne die Anwendung von Schutzgruppen in α-Position deprotoniert werden, wenn keine lithiumhaltigen Basen verwendet werden. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Reaktionen deprotonierter α-Aminonitrile mit Elektrophilen zu untersuchen. Die Addition von α-Aminocarbanionen an Imine führt unter intramolekularer Eliminierung von HCN zu Endiaminen, die sich in einer Eintopfsynthese abhängig von der Aufarbeitung in 1,2-Diamine oder 1,2-Diimine umwandeln lassen. Die nach Oxidation durch Luftsauerstoff erhaltenen Diimine können mit dem Reduktionsmittel BH3·THF diastereoselektiv reduziert werden. Es hat sich hier gezeigt, dass durch Zugabe einer katalytischen Menge an NaBH4 hauptsächlich die syn-Diamine erhalten werden, der Zusatz von Phthalsäure wiederum liefert bevorzugt die anti-Produkte. In beiden Fällen wird das Produkt in quantitativer Ausbeute erhalten. So konnte also eine effektive diastereoselektive Reduktionsmethode entwickelt werden, die eine freie Wahl der syn- oder anti-Konfiguration ermöglicht. Um enantiomerenreine 1,2-Diamine zu erhalten, wurden verschiedene Methoden getestet. Sowohl auxiliargesteuerte Synthesen mit einem N-Glycosyl-Aminonitril oder mit chiralen Sulfinyliminen als auch die Reduktion durch chirale Borverbindungen (CBS-Katalysatoren, Triacyloxyborhydrid oder Diisopinocamphenylboran), Transferhydrierungen mit chiralen Difluortitanocen-, Noyori- oder Organophosphat-Katalysatoren sowie enantioselektive Hydrierungen mit chiralen Übergangsmetall-katalysatoren waren jedoch nicht erfolgreich. Die Umsetzung der 1,2-Diimine mit Chlormethylethern oder -estern liefert die entsprechenden unsymmetrischen Imidazoliumsalze. Diese konnten zu N-heterocyclischen Carbenen deprotoniert und erfolgreich als Liganden in Suzuki- und Heck-Reaktionen eingesetzt werden. Durch die 1,2-Addition α-deprotonierter Streckerprodukte und anschließende Reduktion im Eintopfverfahren konnten 1,2-Aminoalkohole in mäßigen bis guten Ausbeuten dargestellt werden. Die Umsetzung von α-Aminocarbanionen mit N-Acyliminen erlaubt zudem die Synthese tetrasubstituierter Imidazole und trisubstituierter Oxazole in drei beziehungsweise vier Stufen: Die zunächst gebildeten α-Amino-α-acylaminopropionitrile können isoliert und in Gegenwart von Base einer Retro-Strecker-Reaktion unterworfen werden. Abhängig vom Substitutionsmuster schließt sich in manchen Fällen nach der Eliminierung von HCN direkt die Cyclisierung zum Imidazol an. Nicht cyclisierte Intermediate lassen sich durch Dehydratisierung mit PCl5 zu Imidazolen umsetzen, aber auch unter sauren Bedingungen zu α-Acylaminoketonen hydrolysieren, welche wiederum durch Einwirkung von PCl5 in Oxazole überführt werden können. Auf diese Weise wurden Imidazole und Oxazole in moderaten bis hohen Gesamtausbeuten hergestellt.

Einfluss der 6 1 S - 6 3 P-Resonanz auf die Lyman-alpha-Erzeugung in Quecksilber

In dieser Arbeit wird eine kontinuierliche, kohärente Strahlungsquelle bei 121,56nm, der Lyman-alpha Linie in Wasserstoff, vorgestellt. Diese Lyman-alpha Quelle soll zur zukünftigen Laserkühlung von Antiwasserstoff dienen. Die Strahlung wird durch Vier-Wellen-Mischen in Quecksilberdampf produziert. Dabei wird ein Festkörperlasersystem zur Erzeugung der Fundamentalstrahlen eingesetzt. Zur Erhöhung der nichtlinearen Suszeptibilität wird die 6^1S-7^1S Zwei-Photonen-Resonanz ausgenutzt. Zusätzlich wird mit Hilfe eines durchstimmbaren ultravioletten Lasersystems die 6^1S-6^3P Ein-Photon-Resonanz genutzt, was es erlaubt, die nichtlineare Suszeptibilität des Mischprozesses um Größenordnungen zu erhöhen. Um den Einfluss der 6^1S-6^3P Ein-Photon-Resonanz zu untersuchen, wurden zunächst die Phasenanpassungstemperaturen bei verschiedenen Verstimmungen der ultravioletten Strahlung zur 6^3P Resonanz vermessen und festgestellt, dass kleinere Verstimmungen zu niedrigeren Phasenanpassungstemperaturen führen. Es konnte sowohl theoretisch wie auch experimentell gezeigt werden, dass diese niedrigeren Phasenanpassungstemperaturen bei kleinen Verstimmungen der Erhöhung der Lyman-alpha Erzeugung durch die größere nichtlineare Suszeptibilität bei kleinen Verstimmungen entgegenwirken. Bei immer kleineren Verstimmungen zur 6^3P Resonanz limitiert die Absorption der ultravioletten Strahlung die Lyman-alpha Erzeugung. Ein positiver Effekt der niedrigeren Phasenanpassungstemperaturen ist, dass es möglich wird, auf das bisher nötige Puffergas in der Quecksilber-Dampfzelle zu verzichten, was die Lyman-alpha Erzeugung um einen Faktor 1,7 erhöht. Damit war es möglich, die bisherige Effizienz der Lyman-alpha Erzeugung zu verbessern. Es wurde eine Lyman-alpha Leistung von 0,3nW erreicht. Zusätzlich zum Einfluss der 6^3P Resonanz auf die Lyman-alpha Erzeugung wurde ein weiterer Effekt beobachtet. Durch die Nähe der 6^1S-6^3P Ein-Photon-Resonanz wird auch mehr Besetzung in das obere 7^1S Niveau der Zwei-Photonen-Resonanz gepumpt. Dadurch konnte erstmals eine kontinuierliche Lasertätigkeit auf der 6^1P-7^1S Linie in Quecksilber bei 1014nm beobachtet werden.

Funktionelle Analyse der Meprin-Metalloproteasen alpha und beta hinsichtlich ihrer physiologischen Regulation und biologischen Bedeutung

Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, ein besseres Verständnis der beiden Metalloproteasen Meprin α und β in ihrem proteolytischen Netzwerk hinsichtlich ihrer physiologischen Regulation durch endogene Inhibitoren, wie auch der biologischen Funktion von Meprin α für den Prozess der Angiogenese, zu erlangen. rnMit der Analyse des ersten identifizierten endogenen Meprin-Inhibitors Fetuin-A gelang die Bestimmung der Ki-Werte für Meprin α mit 4,2 x 10-5 M und 1,1 x 10-6 M für Meprin β. Des Weiteren konnte für Meprin β eine Schnittstelle im Fetuin-A validiert werden. Mit der Identifizierung von Cystatin C, einem Cystein-Protease-Inhibitor als endogener Inhibitor der Metalloprotease Meprin α, mit einem Ki-Wert von 8,5 x 10-6 M, wurden erstmals Proteasefamilie-übergreifende Inhibitionsmechanismen für Metalloproteasen offenbart.rnDie Analyse von drei potentiellen Meprin-Inhibitoren, identifiziert als Substrate in einem neuen Proteomics-Analyse-Verfahren terminal amine isotopic labeling of substrates (TAILS), ermöglichte die Charakterisierung von Elafin als spezifischen Meprin α-Inhibitor. Für Elafin ist es außerdem gelungen, die durch TAILS ermittelte Schnittstelle für Meprin α mittels Edman Sequenzierung zu validieren. Der secretory leukocyte peptidase inhibitor (SLPI), ein Elafin-Homolog, konnte als weiteres Meprin α-Substrat bestätigt werden. Außerdem gelang es, die Meprin α-Schnittstelle im SLPI zu validieren.rnEin weiteres Ziel dieser Arbeit war, ein besseres Verständnis der biologischen Funktion der Metalloprotease Meprin α zu erlangen. Hier konnte in vivo eine stark pro-angiogene Wirkung von Meprin α gezeigt werden und erstmals die Expression von Meprin α, jedoch nicht von Meprin β, in Endothelzellen nachgewiesen werden. Zugleich konnte mit der Analyse der durch die TAILS-Methode identifizierten pro-angiogenen Substrate vascular endothelial growth factor A (VEGF-A) und connective tissue growth factor (CTGF) der Regulationsmechanismus von Meprin α in der Angiogenese identifiziert werden. So ist Meprin α durch die Spaltung von CTGF in der Lage VEGF-A – gebunden und inhibiert im Komplex mit CTGF – durch proteolytische Spaltung von CTGF wieder freizusetzen. Somit wird die inhibierte VEGF-A-Aktivität wieder vollständig hergestellt. rnMit der Charakterisierung der ersten endogenen Meprin-Inhibitoren ist es gelungen, zu einem besseren Verständnis der endogenen Regulation der Meprine beizutragen und eine Proteasefamilie-übergreifende endogene Regulation aufzuzeigen. Mit der Entdeckung von Meprin α als pro-angiogene Protease und der Entschlüsselung des angiogenen Regulationsmechanismus konnte eine essentielle biologische Bedeutung dieser Protease beschrieben werden.rn

The relevance of the silica metabolizing enzyme silicatein-alpha to biomineralization and the formation of biogenic silica in siliceous sponges

Die technische Silikatproduktion erfordert in der Regel hohe Temperaturen und extreme pH-Werte. In der Natur hingegen haben insbesondere Kieselschwämme die außergewöhnliche Fähigkeit, ihr Silikatskelett, das aus einzelnen sogenannten Spiculae besteht, enzymatisch mittels des Proteins Silicatein zu synthetisieren. rnIm Inneren der Spiculae, im zentralen Kanal, befindet sich das Axialfilament, welches hauptsächlich aus Silicatein-α aufgebaut ist. Mittels Antikörperfärbungen und Elektronenmikroskopischen Analysen konnte festgestellt werden, dass Silicatein in mit Kieselsäure-gefüllten Zellorganellen (silicasomes) nachzuweisen ist. Mittels dieser Vakuolen kann das Enzym und die Kieselsäure aus der Zelle zu den Spiculae im extrazellulären Raum befördert werden, wo diese ihre endgültige Länge und Dicke erreichen. Zum ersten Mal konnte nachgewiesen werden, dass rekombinant hergestelltes Silicatein-α sowohl als Siliciumdioxid-Polymerase als auch Siliciumdioxid-Esterase wirkt. Mittels Massenspektroskopie konnte die enzymatische Polymerisation von Kieselsäure nachverfolgt werden. Durch Spaltung der Esterbindung des künstlichen Substrates Bis(p-aminophenoxy)-dimethylsilan war es möglich kinetische Parameter der Siliciumdioxid-Esterase-Aktivität des rekombinanten Silicateins zu ermitteln.rnZu den größten biogenen Silikatstukuren auf der Erde gehören die Kieselnadeln der Schwammklasse Hexactinellida. Nadelextrakte aus den Schwammklassen Demospongien (S. domuncula) und Hexactinellida (M. chuni) wurden miteinander verglichen um die potentielle Existenz von Silicatein oder Silicatein-ähnliche Molekülen und die dazu gehörige proteolytischen Aktivität nachzuweisen. Biochemische Analysen zeigten, dass das 27 kDA große isolierte Polypeptid in Monoraphis mehrere gemeinsame Merkmale mit den Silicateinen der Demospongien teilt. Dazu gehören die Größe und die Proteinase-Aktivität. rnUm die Frage zu klären, ob das axiale Filament selbst zur Formbildung der Skelettelemente beiträgt, wurde ein neues mildes Extraktionsverfahren eingeführt. Dieses Verfahren ermöglichte die Solubilisierung des nativen Silicateins aus den Spiculae. Die isolierten Silicateine lagen als Monomere (24 kDa) vor, die Dimere durch nicht-kovalente Bindungen ausbildeten. Darüber hinaus konnten durch PAGE-Gelelektrophorese Tetramere (95 kDa) und Hexamere (135 kDa) nachgewiesen werden. Die Monomere zeigten eine beträchtliche proteolytische Aktivität, die sich während der Polymerisationsphase des Proteins weiter erhöhte. Mit Hilfe der Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie (TEM) konnte die Assemblierung der Proteine zu filamentartigen Strukturen gezeigt werden. Die Selbstorganisation der Silicatein-α-Monomeren scheint eine Basis für Form- und Musterbildung der wachsenden Nadeln zu bilden.rn Um die Rolle des kürzlich entdeckten Proteins Silintaphin-1, ein starker Interaktionspartner des Silicatein-α, während der Biosilifizierung zu klären, wurden Assemblierungs-Experimente mit den rekombinanten Proteinen in vitro durchgeführt. Zusätzlich wurde deren Effekt auf die Biosilikatsynthese untersucht. Elektronenmikroskopische Analysen ergaben, dass rekombinantes Silicatein-α zufällig verteilte Aggregate bildet, während die Koinkubation beider Proteine (molekulares Verhältnis 4:1) über fraktal artige Strukturen zu Filamenten führt. Auch die enzymatische Aktivität der Silicatein-α-vermittelte Biosilikatsynthese erhöhte sich in Gegenwart von Silintaphin-1 um das 5,3-fache. rn

Bioverkapselung lebender Bakterien (Escherichia coli) mit Poly-(Silicat) nach Transformation mit dem Silicatein-alpha-Gen

Die Bioverkapselung ist eine faszinierende Methode, um biologische Materialien einschließlich Zellen in Siliziumdioxid, Metalloxiden oder hybriden Sol-Gel-Polymeren zu immobilisieren. Bisher wurde nur die Sol-Gel-Vorläufertechnologie genutzt, um Bakterien- oder Hefezellen in Siliziumdioxid zu immobilisieren. Hierfür wurden verschiedene Reagenzien als wässrige Vorläufer getestet, um poly(Silicate) auf Biomolekülen (Bhatia et al., 2000) oder Zellen (Liu und Chen 1999; Coradin und Livage, 2007) zu bilden. Einer der erfolgreichsten bisherigen Methoden verwendet eine Mischung aus Silicaten und kolloidalem Silica. Diese initialen Vorläufer werden durch die Zugabe von Salzsäure neutralisiert, was die Gelbildung fortschreiten lässt und die Verkapselung von Bakterien in einem Silica-Netzwerk zur Folge hat (Nassif et al., 2003). Mit der Entdeckung von Silicatein, einem Enzym, das aus Demospongien isoliert wurde und die Bildung von poly(Silicat) katalysiert, wurde es möglich, poly(Silicat) unter physiologischen Bedingungen zu synthetisieren. Silicatein wurde rekombinant in E. coli hergestellt und ist in der Lage, bei Raumtemperatur, neutralem pH-Wert und in wässrigen Puffersystemen aus Siliziumalkoxiden poly(Silicat) zu bilden (Krasko et al., 2000; Müller et al., 2007b; Zhou et al., 1999). In vivo katalysiert Silicatein die Synthese der Silicathülle der Schwamm-Spiculae (Skelettelemente; Müller et al., 2005b; Müller et al., 2007a; Müller et al., 2007b; Schröder et al., 2007a). Dieses Biosilica wurde in Form von Silica-Nanospheren mit Durchmessern zwischen 100 nm und 250 nm organisiert vorgefunden (Pisera 2003; Tahir et al., 2005). Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Escherichia coli erfolgreich mit dem Silicatein-Gen transformiert werden kann. Das Level der Proteinexpression kann in Anwesenheit von Isopropyl-β-D-thiogalaktopyranosid (IPTG) effizient erhöht werden, indem man die Bakterienzellen gleichzeitig mit Kieselsäure inkubiert. Dieser Effekt konnte sowohl auf Ebene der Synthese des rekombinanten Proteins durch Western Blot als auch durch Immunfluoreszenzmikroskopie nachgewiesen werden. Das heterolog produzierte Silicatein besitzt enzymatische Aktivität und kann die Polymerisation von Kieselsäure katalysieren. Dies konnte sowohl durch Färbung mit Rhodamin123, als auch durch Reaktion der nicht polymerisierten, freien Kieselsäure mit dem ß-Silicomolybdato-Farbsystem (Silicomolybdänblau) nachgewiesen werden. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten, dass nur die silicateinexprimierenden Bakterien während des Wachstums in Anwesenheit von Kieselsäure eine viskose Hülle um Zelle herum bilden. Ebenfalls konnte gezeigt werden, dass Silicatein-α aus Suberites domuncula nach Transformation in E. coli an die Zelloberfläche dieser Zellen transportiert wurde und dort seine enzymatische Funktion beibehielt. Die Silicathülle wurde mittels Raster-Elektronenmikroskopie (REM) analysiert. Die Bakterien, die Silicatein exprimierten und poly(Silicat) an ihrer Oberfläche synthetisierten, zeigten die gleichen Wachstumsraten wie die Bakterien, die das Gen nicht enthielten. Schlussfolgernd lässt sich sagen, dass die silicateinvermittelte Verkapselung von Bakterien mit poly(Silicat) die Bandbreite der Anwendung von Bakterien für die Produktion von rekombinanten Proteinen verbessern, erweitern und optimieren könnte.

Induktion von Pro-Autophagie-Signalen durch einen extra- oder intrazellulären Alpha-Toxin-Angriff

Autophagie ist ein konservierter, kataboler Mechanismus in allen eukaryoten Zellen. Unter anderem wird ihm eine wichtige Rolle als zellautonomer Abwehrmechanismus gegen Mikroorganismen zugeschrieben; von manchen Infektionserregern wird er jedoch unterlaufen oder sogar genutzt. Der stärkste Auslöser der Autophagie ist ein Mangel an Nährstoffen, insbesondere Aminosäuren. Über die Deaktivierung der Kinase mTORC1 und die Phosphorylierung des eukaryoten Translationsinitiationsfaktors eIF2α hemmt die Nährstoffknappheit die Proteinbiosynthese und aktiviert gleichzeitig Autophagie. Wie Mikroorganismen, insbesondere Bakterien, Autophagie auslösen oder manipulieren, ist derzeit Gegenstand intensiver Forschung. Modifikationen an Mikroben oder Phagosomen und Adapterproteine, die diese Veränderungen und Komponenten des Autophagieapparates erkennen, scheinen jedenfalls bei der selektiven Erkennung durch die Autophagie-Maschinerie wichtig zu sein. rnIn der vorliegenden Dissertationsarbeit wird die Rolle des membranporenbildenden α-Toxins von Staphylococcus aureus für die Induktion von Autophagie beleuchtet. Zum einen erwies sich die Akkumulation von (EGFP)-LC3(II), einem Marker der Autophagosomen, um intrazelluläre S. aureus als abhängig von α-Toxin. Zweitens, genügt extrazellulär appliziertes α-Toxin um (EGFP)-LC3(II)-positive Endosomen zu induzieren. Während der Angriff aus dem extrazellulären Raum jedoch binnen kurzer Zeit eine fokale Kumulation von phosphoryliertem eIF2α an der Plasmamembran induziert, die an der Internalisierung des Toxins beteiligt ist, findet sich am phagosomalen Kompartiment keine Toxin-abhängige Anhäufung von p-eIF2α oder proximalen Autophagieregulatoren. Dies impliziert, dass Toxin-Angriff auf die Plasmamembran, nicht aber auf das Phagosom, zu einer Reaktion führt, wie sie bei massivem Nährstoffmangel zu beobachten ist. Obwohl keine α-Toxin-abhängige Kumulation von p-eIF2α bei einem Angriff aus dem Phagosom erfolgt, findet sich um α-Toxin-produzierende Bakterien eine massive Kumulation von LC3 und Adapterprotein p62/Sequestosome1. Dies deutet daraufhin, dass der Ort des Angriffs - Plasmamembran oder Phagosom – für den Autophagie-induzierenden Mechanismus wichtig sein könnte. Der unterschiedliche Effekt auf die zellulären Ionenkonzentrationen, den ein Angriff auf die Plasmamembran oder auf ein Phagosom auslösen würde, bietet hierfür eine mögliche Erklärung. Die Aktivierung der Autophagie über Adapterproteine könnte dann als back-up Mechanismus fungieren, der auch dann greift, wenn eine Invasion ohne Schädigung der Plasmamembran erfolgt. Ein cross-talk der beiden Induktionswege ist angesichts der Bedeutung von p62 für die selektive und die Hunger-assoziierte Autophagie gut möglich; sezerniertes Toxin könnte durch die Aktivierung der basalen Autophagie Adapter-basierte Mechanismen verstärken.