Rapporto tra struttura e funzione della cistatina B e dei suoi mutanti in relazione all'epilessia mioclonica progressiva di tipo 1 (EPM1)

This work shows for the first time that native CSTB polymerizes on addition of Cu2+ and DnaK (Hsp70). Cysteines are involved in the polymerization process and in particular at least one cysteine is necessary. We propose that Cu2+ interacts with the thiol group of cysteine and oxidize it. The oxidized cysteine modifies the CSTB structure allowing interaction with DnaK/Hsp70 to occur. Thus, Cu2+ binding to CSTB exposes a site for DnaK and such interaction allows the polymerization of CSTB. The polymers generated from native CSTB monomers, are DTT sensitive and they may represent physiological polymers. Denatured CSTB does not require Cu2+ and polymerizes simply on addition of DnaK. The polymers generated from denatured CSTB do not respond to DTT. They have characteristics similar to those of the CSTB toxic aggregates described in vivo in eukaryotic cells following CSTB over-expression. Interaction between CSTB and Hsp70 is shown by IP experiments. The interaction occurs with WT CSTB and not with the cys mutant. This suggests that disulphur bonds are involved. Methal-cathalyzed oxidation of proteins involves reduction of the metal ion(s) bound to the protein itself and oxidation of neighboring ammino acid residues resulting in structural modification and de-stabilization of the molecule. In this work we propose that the cysteine thyol residue of CSTB in the presence of Cu2+ is oxidized, and cathalyzes the formation of disulphide bonds with Hsp70, that, once bound to CSTB, mediates its polymerization. In vivo this molecular mechanism of CSTB polymerization could be regulated by redox environment through the cysteine residue. This may imply that CSTB physiological polymers have a specific cellular function, different from that of the protease inhibitor known for the CSTB monomer. This hypothesis is interesting in relation to Progressive Myoclonus Epilepsy of type 1 (EPM1). This pathology is usually caused by mutations in the CSTB gene. CSTB is a ubiquitous protein, but EPM1 patients have problems only in the central nervous system. Maybe physiological CSTB polymers have a specific function altered in people affected by EPM1.

Pharmaceutical residues in aquatic systems: mode of action and effects on mussel physiology

Pharmaceutical residues contaminate aquatic ecosystems as a result of their widespread human and veterinary usage. Since continuously released and not efficiently removed, certain pharmaceuticals exhibit pseudo-persistence thus generating concerns for the health of aquatic wildlife. This work aimed at assessing on mussels Mytilus galloprovincialis, under laboratory conditions, the effects of three pharmaceuticals, carbamazepine (antiepileptic), propranolol (β-blocker) and oxytetracycline (antibiotic), to evaluate if the human-based mode of action of these molecules is conserved in invertebrates. Furthermore, in the framework of the European MEECE Programme, mussels were exposed to oxytetracycline and copper at increasing temperatures, simulating variations due to climate changes. The effects of these compounds were assessed evaluating a battery of biomarkers, the expression of HSP70 proteins and changes in cAMP-related parameters. A decrease in lysosomal membrane stability, induction of oxidative stress, alterations of cAMP-dependent pathway and the induction of defense mechanisms were observed indicating the development of a stress syndrome, and a worsening in mussels health status. Data obtained in MEECE Programme confirmed that the toxicity of substances can be enhanced following changes in temperature. The alterations observed were obtained after exposure to pharmaceuticals at concentrations sometimes lower than those detected in the aquatic environment. Hence, further research is advisable regarding subtle effects of pharmaceuticals on non-target organisms. Furthermore, results obtained during a research stay in the laboratories of Cádiz University (Spain) are presented. The project aimed at measuring possible effects of polluted sediments in Algeciras Bay (Spain) and in Cádiz Bay, by assessing different physiological parameters in caged crabs Carcinus maenas and clams Ruditapes decussatus exposed in situ for 28 days. The neutral red retention assay was adapted to these species and proved to be a sensitive screening tool for the assessment of sediment quality.

Escherichia coli alpha-Hämolysin: Untersuchungen zur Struktur und Porenbildung

Escherichia coli α-Hämolysin (HlyA) ist ein Prototyp der RTX-Toxine, die zu den α-porenbildenden Toxinen gehören. HlyA bildet Poren in einer Vielzahl eukaryontischer Zielzellen. Das 107 kDa große Protein besteht aus 1024 Aminosäuren, die gemeinsam mit den Proteinen für posttranslationale Modifikation und Sekretion in einem Operon codiert werden. Die N-terminale Hälfte von HlyA besteht aus mehreren amphipathischen α –Helices, die mit der Porenbildung assoziiert werden, gefolgt von der Calcium-bindenden RTX-Domäne in der C-terminalen Hälfte des Moleküls. Über den porenbildenen Mechanismus ist wenig bekannt. Die vorliegende Arbeit fokussierte sich auf die Frage, ob dieser Prozess eine Oligomerisierung mehrerer HlyA-Moleküle beinhaltet, oder ob die membranschädigende Struktur von einem Monomer gebildet wird. Drei unabhängige biochemische Methoden wurden in dem Versuch eingesetzt, HlyA-Oligomere in permeabilisierten Membranen zu detektieren. In allen drei Ansätzen wurden negative Ergebnisse erreicht, was das Konzept bestätigt, dass die Pore von HlyA von einem Monomer gebildet wird. PCR-basierte Cysteinsubstitutionen wurden durchgeführt, um den N-terminus von HlyA zu charakterisieren. Einzelne Cysteinreste wurden an 21 Positionen innerhalb der Aminosäuresequenz 13-55 eingeführt, und mit dem umgebungssensitiven Fluorophor Badan markiert. Spektrofluorimetrische Messungen zeigten, dass alle untersuchten Aminosäuren innerhalb dieser Domäne unabhängig von der porenbildenden Aktivität in die Membran inserieren. Deletionen der Aminosäuren 1-50 hatten keinen Einfluß auf die lytische Aktivität, während die Deletion der Aminosäuren 1-100 in einer fast vollständig inaktiven Toxinmutante resultierte. Die Einführung von Prolinen durch PCR-basierte Mutagenese wurde durchgeführt, um die Beteiligung vorhergesagter α-Helices innerhalb der N-terminalen Hälfte von HlyA an der hämolytischen Aktivität zu untersuchen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Struktur von mindestens vier vorhergesagten Helices bedeutend für die hämolytische Aktivität ist.

Pflanzlicher Lichtsammler (LHCII) in Hybridkomplexen mit organischen Farbstoffen und anorganischen Halbleiter-Nanokristallen (Quantum dots)

Der Lichtsammelkomplex II (LHCII) höherer Pflanzen ist eines der häufigsten Membranproteine der Welt. Er bindet 14 Chlorophylle und 4 Carotinoide nicht kovalent und fungiert in vivo als Lichtantenne des Photosystems II. Eine optimale Absorption von Licht ist auch bei Solarzellen entscheidend und es liegt nahe hier dasselbe Prinzip zu verwenden. Dafür bietet sich der Einsatz biologischer Komponenten wie des LHCII an. Dieser wurde evolutionär für eine effektive Absorption und Weiterleitung von Sonnenenergie optimiert. Zusätzlich lässt er sich in vitro in rekombinanter Form rekonstituieren. Für eine eventuelle Nutzung des LHCII in technologischen Anwendungen bedarf es der Interaktion mit anderen, vorzugsweise synthetischen Komponenten. Daher wurde die Bindung und der Energietransfer zwischen dem LHCII und organischen Fluoreszenzfarbstoffen sowie anorganischen „Quantum dots“ (QDs) untersucht. rnMit Donorfarbstoffen wurde die Grünlücke des LHCII funktionell geschlossen. Dafür wurden bis zu vier Fluoreszenzfarbstoffe kovalent an den LHCII gebunden. Diese Interaktion erfolgte sowohl mit Maleimiden an Cysteinen als auch mit N-Hydroxysuccinimidylestern an Lysinen. Die Assemblierung, Struktur und Funktion des Pigment-Protein-Komplexes wurde durch die Fluoreszenzfarbstoffe nicht gestört.rnAuf der Suche nach einem Farbstoff, der als Akzeptor die vom LHCII aufgenommene Energie übernimmt und durch Elektronenabgabe in elektrische Energie umwandelt, wurden drei Rylenfarbstoffe, ein Quaterrylen und zwei Terrylene, untersucht. Der LHCII konnte mit allen Farbstoffen erfolgreich markiert werden. Für die Nutzung der Hybridkomplexe ergaben sich allerdings Probleme. Das Quaterrylen beeinträchtigte aufgrund seiner Hydrophobizität die Rekonstitution des Proteins, während bei beiden Terrylenen der Energietransfer ineffizient war.rn Zusätzlich zu den Standard-Verknüpfungen zwischen Farbstoffen und Proteinen wurde in dieser Arbeit die „native chemische Ligation“ etabliert. Hierfür wurde eine LHCII-Mutante mit N-terminalem Cystein hergestellt, markiert und rekonstituiert. Messdaten an diesem Hybridkomplex ließen auf einen Energietransfer zwischen Farbstoff und Protein schließen. rnIn Hybridkomplexen sollen langfristig zur Ladungstrennung fähige Typ II-QDs Anwendung finden, wobei der LHCII als Lichtantenne dienen soll. Bis diese QDs verwendet werden können, wurden grundlegende Fragen der Interaktion beider Materialen an Typ I-QDs mit Energietransfer zum LHCII untersucht. Dabei zeigte sich, dass QDs in wässriger Lösung schnell aggregieren und entsprechende Kontrollen wichtig sind. Weiterführend konnte anhand der Trennung von ungebundenem und QD-gebundenem LHCII die Bindung von LHCII an QDs bestätigt werden. Dabei wurden Unterschiede in der Bindungseffizienz in Abhängigkeit der verwendeten LHCII und QDs festgestellt. Durch Herstellung von Fusionsproteinen aus LHCII und Affinitätspeptiden konnte die Bindung optimiert werden. Ein Energietransfer von QDs zu LHCII war nicht sicher nachzuweisen, da in den Hybridkomplexen zwar die QD- (Donor-) Fluoreszenz gelöscht, aber die LHCII- (Akzeptor-) Fluoreszenz nicht entsprechend stimuliert wurde.rnZusammenfassend wurden in dieser Arbeit einige Hybridkomplexe hergestellt, die in weiterführenden Ansätzen Verwendung finden können. Auf die hier gewonnenen Erkenntnisse über Interaktionen zwischen LHCII und synthetischen Materialien kann jetzt weiter aufgebaut werden.

The oxygen sensors FNR from Escherichia coli and NreABC from Staphylococcus carnosus

Im Laufe der Evolution entwickelte sich eine Reihe von Sauerstoff-Sensorsystemen in Bakterien, um die Genexpression der Sauerstoffverfügbarkeit anzupassen. Der Sauerstoffsensor FNR aus Escherichia coli bindet unter anaeroben Bedingungen ein [4Fe4S]2+ Zentrum. Unter Sauerstoffeinfluß zerfällt aktives [4Fe4S]2+FNR zu inaktivem [2Fe2S]2+FNR und weiter zu ebenfalls inaktivem apoFNR. In der vorliegenden Arbeit wurde der Zustand von FNR in vivo in aeroben und anaeroben Zellen von Escherichia coli aufgeklärt. Durch Alkylierung der Cysteine in FNR und anschließender Analyse im Massenspektrometer konnte gezeigt werden, das FNR in aeroben Zellen hauptsächlich in der apo-Form vorliegt. Nach ca. 6 Minuten war in lebenden E. coli Zellen die Umwandlung von [4Fe4S]2+ FNR zu apoFNR abgeschlossen.rnrnIn dem gram positiven Bakterium Staphylococcus carnosus aktiviert das NreBC System unter anaeroben Wachstumsbedingungen die Gene der Nitratatmung. NreB ist eine cytoplasmatische Sensorhistidinkinase, die ein sauerstofflabiles [4Fe4S]2+ Zentrum über eine PAS-Domäne bindet. Das [4Fe4S]2+ Zentrum wird von vier Cysteinen gebunden. Der Responsregulator NreC steuert nach Aktivierung durch NreB die Transkription der Zielgene. In der vorliegenden Arbeit wurde NreB mit Hilfe von Cysteinmarkierungen in vivo charakterisiert. Durch die Änderung der Cystein-Zugänglichkeit für Thiolreagenzien nach Sauerstoffzugabe konnte eine Halbwertszeit von ca. 3 Minuten für das [4Fe4S]2+ Zentrum in vivo bestimmt werden. In anaeroben Bakterien stellt [4Fe4S]2+NreB die Hauptform von NreB dar, während in aeroben Bakterien hauptsächlich apoNreB vorkommt. Dieses Ergebnis konnte durch Massenspektroskopie bestätigt werden. Weiterhin konnte gezeigt werden das NreA mit NreB und NreC wechselwirkt und Bestandteil des NreABC Drei-Komponentensystems ist. rn

Coating of surfaces of composite materials with enzymatically formed biosilica

Die Bildung kieselsäurehaltiger Spicula in marinen Schwämmen ist nur möglich durch die enzymatische Aktivität des Silicatein- in Verbindung mit der stöchiometrischen Selbstassemblierung des Enzyms mit anderen Schwammproteinen. Die vorliegende Arbeit basiert auf einem biomimetischen Ansatz mit dem Ziel, unterschiedliche Oberflächen für biotechnologische und biomedizinische Anwendungen mit Biosilica und Biotitania zu beschichten und zu funktionalisieren. Für biotechnologische Anwendungen ist dabei das Drucken von Cystein-getaggtem Silicatein auf Gold-Oberflächen von Bedeutung, denn es ermöglichte die Bildung definierter Biotitania-Strukturen (Anatas), welche als Photokatalysator den Abbau eines organischen Farbstoffs bewirkten. Des Weiteren zeigte sich die bio-inspirierte Modifikation von Tyrosin-Resten an rekombinantem Silicatein-(via Tyrosinase) als vielversprechendes Werkzeug zur Beschleunigung der Selbstassemblierung des Enzyms zu mesoskaligen Filamenten. Durch eine solche Modifikation konnte Silicatein auch auf der Oberfläche von anorganischen Partikeln immobilisiert werden, welches die Assemblierung von anorganisch-organischen Verbundwerkstoffen in wäßriger Umgebung förderte. Die resultierenden supramolekularen Strukturen könnten dabei in bio-inspirierten und biotechnologischen Anwendungen genutzt werden. Weiterhin wurde in der vorliegenden Arbeit die Sekundärstruktur von rekombinantem Silicatein- (Monomer und Oligomer) durch Raman Spektroskopie analysiert, nachdem das Protein gemäß einer neu etablierten Methode rückgefaltet worden war. Diese Spektraldaten zeigten insbesondere Änderungen der Proteinkonformation durch Solubilisierung und Oligomerisierung des Enzyms. Außerdem wurden die osteoinduzierenden und osteogenen Eigenschaften unterschiedlicher organischer Polymere, die herkömmlich als Knochenersatzmaterial genutzt werden, durch Oberflächenmodifikation mit Silicatein/Biosilica verbessert: Die bei der Kultivierung knochenbildender Zellen auf derart oberflächenbehandelten Materialien beobachtete verstärkte Biomineralisierung, Aktivierung der Alkalischen Phosphatase, und Ausbildung eines typischen zellulären Phänotyps verdeutlichen das Potential von Silicatein/Biosilica für der Herstellung neuartiger Implantat- und Knochenersatzmaterialien.

Signaltransduktion in der membranständigen Sensor-Histidinkinase DcuS von Escherichia coli

Escherichia coli kann unter aeroben und anaeroben Bedingungen mit C4-Dicarboxylaten wachsen, die Regulation des Stoffwechsels erfolgt durch das Zwei-Komponenten-System DcuSR. Die C4-Dicarboxylattransporter DctA (aerob) bzw. DcuB (anaerob) agieren als Co-Regulatoren und bilden gemeinsam mit der Sensor-Histidinkinase DcuS einen Sensorkomplex, in dem DcuS den Sensor darstellt und DctA bzw. DcuB diesen in seine rezeptive Form überführen. DcuS ist membranständig und verknüpft die Bindung von C4-Dicarboxylaten im Periplasma mit der Autophosphorylierung seiner Kinasedomäne im Cytoplasma. Dies stellt den Beginn einer Signalkaskade vom extrazellulären Reiz zum cytoplasmatischen Responseregulator DcuR dar.rnIn dieser Arbeit wurde die intramolekulare Signaltransduktion in DcuS und über die Membran untersucht. Der Fokus lag auf der Funktion der beiden Transmembranhelices TM1 und TM2 und der cytoplasmatischen PAS-Domäne, die die sensorische PASp- mit der effektorischen Kinasedomäne verbinden. Konformationsänderungen dieser Signalweiterleitung wurden durch Cysteinzugänglichkeitsstudien, oxidatives Cystein-Crosslinking und Mutageneseexperimente analysiert. rnTM2 wurde als der Überträger eines transmembranen Signals identifiziert, während TM1 als Membrananker fungiert. Der aktive Signalzustand von TM2 wird unabhängig von der Art der DcuS-Aktivierung (Effektorbindung, Deletion des Co-Regulators DctA oder PASc-ON-Mutationen) eingenommen. Der Signaltransduktion liegt eine Verschiebung von TM2 entlang ihrer Längsachse (Kolbenhub) in Richtung Periplasma zu Grunde. Cystein-Crosslinking offenbarte eine durchgehende Helix aus PASp-α6 und TM2, die im Dimer parallel mit ihrem Pendant verschoben wird. Die Amplitude des Kolbenhubs wurde anhand von Zugänglichkeitsveränderungen, der Lage verankernder Tryptophanreste, Strukturvergleichen und energetischen Berechnungen auf max. 4 - 6 Å festgelegt. Sie ist von der Effektorstärke abhängig und koppelt so die metabolische Bevorzugung einzelner Substrate an das Ausmaß des Kolbenhubs und der Genexpression. Für die cytoplasmatische PAS-Domäne wurde ein Zusammenhang zwischen lokaler Dimerisierung und Kontrolle der Sensorfunktion nachgewiesen. Schwächung der Dimerisierung führt zu einer Aktivierung der Sensorkinase. Es wurde eine hydrophobe Region identifiziert, deren strukturelle Integrität für diese Dimerisierung essentiell ist. Mit N248 wurde ein funktionell bedeutender Rest beschrieben, der auf Grund seiner Lage und seiner Eigenschaft mehrere Sekundärstrukturelemente zu verknüpfen, als Scharnier innerhalb der Domäne an der Umsetzung des Kolbenhubs in eine veränderte Quartärstruktur von PASc beteiligt sein könnte.

The contribution of surface residues to membrane binding and ligand transfer by the -tocopherol transfer protein ( -TTP)

Previous work has shown that the -tocopherol transfer protein ( -TTP) can bind to vesicular or immobilized phospholipid membranes. Revealing the molecular mechanisms by which -TTP associates with membranes is thought to be critical to understanding its function and role in the secretion of tocopherol from hepatocytes into the circulation. Calculations presented in the Orientations of Proteins in Membranes database have provided a testable model for the spatial arrangement of -TTP and other CRAL-TRIO family proteins with respect to the lipid bilayer. These calculations predicted that a hydrophobic surface mediates the interaction of -TTP with lipid membranes. To test the validity of these predictions, we used site-directed mutagenesis and examined the substituted mutants with regard to intermembrane ligand transfer, association with lipid layers and biological activity in cultured hepatocytes. Substitution of residues in helices A8 (F165A and F169A) and A10 (I202A, V206A and M209A) decreased the rate of intermembrane ligand transfer as well as protein adsorption to phospholipid bilayers. The largest impairment was observed upon mutation of residues that are predicted to be fully immersed in the lipid bilayer in both apo (open) and holo (closed) conformations such as Phe165 and Phe169. Mutation F169A, and especially F169D, significantly impaired -TTP-assisted secretion of -tocopherol outside cultured hepatocytes. Mutation of selected basic residues (R192H, K211A, and K217A) had little effect on transfer rates, indicating no significant involvement of nonspecific electrostatic interactions with membranes.

Human TOP1 residues implicated in species specificity of HIV-1 infection are required for interaction with BTBD2, and RNAi of BTBD2 in old world monkey and human cells increases permissiveness to HIV-1 infection

Host determinants of HIV-1 viral tropism include factors from producer cells that affect the efficiency of productive infection and factors in target cells that block infection after viral entry. TRIM5 restricts HIV-1 infection at an early post-entry step through a mechanism associated with rapid disassembly of the retroviral capsid. Topoisomerase I (TOP1) appears to play a role in HIV-1 viral tropism by incorporating into or otherwise modulating virions affecting the efficiency of a post-entry step, as the expression of human TOP1 in African Green Monkey (AGM) virion-producing cells increased the infectivity of progeny virions by five-fold. This infectivity enhancement required human TOP1 residues 236 and 237 as their replacement with the AGM counterpart residues abolished the infectivity enhancement. Our previous studies showed that TOP1 interacts with BTBD1 and BTBD2, two proteins which co-localize with the TRIM5 splice variant TRIM5 in cytoplasmic bodies. Because BTBD1 and BTBD2 interact with one HIV-1 viral tropism factor, TOP1, and co-localize with a splice variant of another, we investigated the potential involvement of BTBD1 and BTBD2 in HIV-1 restriction.

Nuclear cysteine cathepsin variants in thyroid carcinoma cells

The cysteine peptidase cathepsin B is important in thyroid physiology by being involved in thyroid prohormone processing initiated in the follicular lumen and completed in endo-lysosomal compartments. However, cathepsin B has also been localized to the extrafollicular space and is therefore suggested to promote invasiveness and metastasis in thyroid carcinomas through, e.g., ECM degradation. In this study, immunofluorescence and biochemical data from subcellular fractionation revealed that cathepsin B, in its single- and two-chain forms, is localized to endo-lysosomes in the papillary thyroid carcinoma cell line KTC-1 and in the anaplastic thyroid carcinoma cell lines HTh7 and HTh74. This distribution is not affected by thyroid stimulating hormone (TSH) incubation of HTh74, the only cell line that expresses a functional TSH-receptor. Immunofluorescence data disclosed an additional nuclear localization of cathepsin B immunoreactivity. This was supported by biochemical data showing a proteolytically active variant slightly smaller than the cathepsin B proform in nuclear fractions. We also demonstrate that immunoreactions specific for cathepsin V, but not cathepsin L, are localized to the nucleus in HTh74 in peri-nucleolar patterns. As deduced from co-localization studies and in vitro degradation assays, we suggest that nuclear variants of cathepsins are involved in the development of thyroid malignancies through modification of DNA-associated proteins.

Development and validation of a liquid chromatography-tandem mass spectrometry method for the simultaneous determination of nine corticosteroid residues in bovine liver samples

A liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) confirmatory method for the simultaneous determination of nine corticosteroids in liver, including the four MRL compounds listed in Council Regulation 37/2010, was developed. After an enzymatic deconjugation and a solvent extraction of the liver tissue, the resulting solution was cleaned up through an SPE Oasis HLB cartridge. The analytes were then detected by liquid chromatography-negative-ion electrospray tandem mass spectrometry, using deuterium-labelled internal standards. The procedure was validated as a quantitative confirmatory method according to the Commission Decision 2002/657/EC criteria. The results showed that the method was suitable for statutory residue testing regarding the following performance characteristics: instrumental linearity, specificity, precision (repeatability and intra-laboratory reproducibility), recovery, decision limit (CCα), detection capability (CCβ) and ruggedness. All the corticosteroids can be detected at a concentration around 1 μg kg(-1); the recoveries were above 62% for all the analytes. Repeatability and reproducibility (within-laboratory reproducibility) for all the analytes were below 7.65% and 15.5%, respectively.

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

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