Modeling physiological processes in plankton on enzyme kinetic principles

[EN] Many ecologically important chemical transformations in the ocean are controlled by biochemical enzyme reactions in plankton. Nitrogenase regulates the transformation of N2 to ammonium in some cyanobacteria and serves as the entryway for N2 into the ocean biosphere. Nitrate reductase controls the reduction of NO3 to NO2 and hence new production in phytoplankton. The respiratory electron transfer system in all organisms links the carbon oxidation reactions of intermediary metabolism with the reduction of oxygen in respiration. Rubisco controls the fixation of CO2 into organic matter in phytoplankton and thus is the major entry point of carbon into the oceanic biosphere. In addition to these, there are the enzymes that control CO2 production, NH4 excretion and the fluxes of phosphate. Some of these enzymes have been recognized and researched by marine scientists in the last thirty years. However, until recently the kinetic principles of enzyme control have not been exploited to formulate accurate mathematical equations of the controlling physiological expressions. Were such expressions available they would increase our power to predict the rates of chemical transformations in the extracellular environment of microbial populations whether this extracellular environment is culture media or the ocean. Here we formulate from the principles of bisubstrate enzyme kinetics, mathematical expressions for the processes of NO3 reduction, O2 consumption, N2 fixation, total nitrogen uptake.

Isolierung, Reinigung und Expression zentraler Enzyme der Biosynthese des pflanzlichen Antiarrhythmikums Ajmalin

Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurden im Zuge derAjmalinbiosynthese in Rauvolfia serpentina die NADPH2abhängigen Reduktionsschritte des Alkaloids Vomilenin zu 17O Acetylnorajmalin genauer untersucht.Dabei konnte erstmals die exakte Reaktionsreihenfolgeaufgedeckt und die daran beteiligten Enzyme ausPflanzenzellsuspensionskulturen isoliert und aufgereinigtwerden. Die ausgearbeiteten, optimierten Reinigungsprotokolleführten in wenigen Stufen gezielt zu den voneinandergetrennten Reduktase Fraktionen. Durch die Trennung derReduktase Aktivitäten war der Grundstein gelegt, dasZwischenprodukt der Reaktion anzureichern und mitverschiedenen analytischen Verfahren als 2?-(R)-1.2Dihydrovomilenin zu identifizieren. Die daraufhin vergebenenBezeichnungen Vomilenin Reduktase (EC.1.5.1.32) und 1.2Dihydrovomilenin Reduktase (EC.1.3.1.73) zielen auf dasumzusetzende Substrat ab.Für die Vomilenin Reduktase konnte eine 4 stufige Reinigungüber (NH4)2SO4 Fällung, Anionen-austauschchromatographie mitSOURCE 30Q, Hydrophobe Interaktionschromatographie an SOURCE15Phe und Affinitätschromatographie mit 2’,5’ ADP Sepharoseausgearbeitet werden. Hierbei konnte die 1.2Dihydrovomilenin Reduktase schon nach dem erstensäulenchromatogra-phischen Schritt (S 30Q) abgetrenntwerden. Das am Ende der Proteinreinigung angefertigte SDSGel zeigte nur noch 3 Banden, von denen die beiden bei ca.40 und 43 kDa gelegenen Banden mit dem Aktivitätsverlaufder Vomilenin Reduktase korrelierten. Diese wurden einempartiellen Verdau mit der Endoproteinase LysC unterworfen,wobei jeweils 2 Spaltpeptide erhalten werden konnten.Die 1.2 Dihydrovomilenin Reduktase Reinigung umfaßte 6Reinigungsschritte mit (NH4)2SO4-Fällung, SOURCE 30QAnionenaustauschchromatographie, HydroxylapatitChromatographie, 2’,5’ ADP Sepharose-Chromatographie,Anionenaustausch an DEAE Sepharose und abschließen-denAnionenaustausch über MonoQ. Die resultierendeProteinfraktion wies eine ca. 200 fache Anreicherung an 1.2Dihydrovomilenin Reduktase auf. Auch hierbei wurde die nachSDS Gelelek-trophorese als 1.2 Dihydrovomilenin Reduktasebestimmte Proteinbande (bei ca. 48 kDa) sequen-ziert. Eskonnten vier Peptidfragmente erhalten werden, die ebenso wiedie sequenzierten Peptidstücke der 40 und 43 kDa Bande einehohe Homologie zu Oxidoreduktasen, im einzelnen zuCinnamoylalcohol- und Mannitol Dehydrogenasen, aufwiesen.Um die Identität der sequenzierten Proteinbanden zubestätigen, wurde über „reverse genetics“ die jeweilscodierende cDNA eruiert. Dafür wurden - ausgehend von denPeptidstücken der Mikro-sequenzierung - degenerierte Primerentwickelt und über PCR Teilbereiche der cDNA amplifiziert.Diese konnten für eine radioaktive Durchmusterung einerRauvolfia cDNA Bank herangezogen werden. Alternativ botallein die Kenntnis der spezifischen Nukleotidabfolge dieMöglichkeit der Gewinnung von 5’ und 3’ Ende derVollängenklone durch RACE PCR.Nach Abschluß dieser Arbeiten konnten für die 40 und 48 kDaBande je ein Vollängenklon und für die 43 kDa Bande 2Vollängenklone (Isoformen) gefunden werden. SämtlicheVollängenklone besitzen einen offenen Leserahmen, der durchnicht zu translatierende Bereiche am 5’ und 3‘ Endeeingefaßt wird. Um die entsprechenden Proteine produzierenzu können, mußten die dafür codierenden cDNA Bereiche dereinzelnen Klone in ein geeignetes Vektor Wirt-System(Expressionssystem) eingebracht werden.Nach erfolgreicher Umklonierung wurde die Expression durchIPTG Zugabe kontrolliert und Proteinrohextrakte aus denBakterienstämmen isoliert. Als Substrate wurden Vomilenin,das strukturisomere Alkaloid Perakin und aufgrund derHomologien zu Cinnamoylalcohol und Mannitol Dehydrogenasen Zimtaldehyd, Dihydrozimtaldehyd und D(-)Fructose getestet. In allen E. coli Stämmen konnte ein unspezifischesReduktionspotential nachgewiesen werden, ohne daß jedochVomilenin reduziert wurde. Die Testung der 1.2Dihydrovomilenin Reduktase Klone mußte wegen Substratmangelentfallen.Die weitere Charakterisierung der pflanzlichen Enzymeerbrachte eine enorm hohe Substratspezifität mit einer sichauf Rauvolfia beschränkenden taxonomischen Verbreitung.Die Molekulargewichtsbestimmung für die Vomilenin Reduktaseergab nach Größenausschluß-chromatographie an Superdex 75ein Gewicht von etwa 43 kDa. Das ebenfalls über Superdex 75ermittelte Molekulargewicht für die 1.2 DihydrovomileninReduktase lag bei ca. 49.8 kDa. Weiterhin wurde eine Metallionenabhängigkeit für dieVomilenin Reduktase aufgezeigt und die Cofaktorspezifitätsowie die pH und Temperatur Optima für beide Reduktasenbestimmt.

An evolutionary approach to the design of experiments for combinatorial optimization with an application to enzyme engineering

In a large number of problems the high dimensionality of the search space, the vast number of variables and the economical constrains limit the ability of classical techniques to reach the optimum of a function, known or unknown. In this thesis we investigate the possibility to combine approaches from advanced statistics and optimization algorithms in such a way to better explore the combinatorial search space and to increase the performance of the approaches. To this purpose we propose two methods: (i) Model Based Ant Colony Design and (ii) Naïve Bayes Ant Colony Optimization. We test the performance of the two proposed solutions on a simulation study and we apply the novel techniques on an appplication in the field of Enzyme Engineering and Design.

Kristallisation der Arbutin-Synthase und der Strictosidin Glukosidase - zwei Enzyme aus dem sekundären Glykosidstoffwechsel von Rauvolfia serpentina

Kristallisation der Arbutin-Synthase und der Strictosidin Glukosidase - zwei Enzyme aus dem sekundären Glykosidstoffwechsel von Rauvolfia serpentina Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Kristallisation und der strukturellen Auswertung der Arbutin-Synthase (AS) und der Strictosidin Glukosidase (SG). Beide Enzyme stammen aus der Medizinalpflanze Rauvolfia serpentina. Für die Kristallisation der Arbutin-Synthase wurden ca. 2500 verschiedene Beding-ungen experimentell untersucht. Für einige dieser Experimente wurde das Enzym molekularbiologisch und chemisch verändert. Trotzdem konnten keine Kristalle erhalten werden. Die bei diesen Veränderungen erhaltenen Ergebnisse wurden anhand von Vergleichen mit Strukturen anderer Glykosyltransferasen der gleichen Familie analysiert. Bei der Reinigung der AS konnte mit verschiedenen Trennsystemen nie eine homogene Lösung produziert werden. Der wahrscheinliche Grund für diese schlechte Isolierbarkeit, und damit der wahrscheinliche Grund für die schwierige Kris-tallisation, liegt in der überdurchschnittlich hohen Anzahl an Cysteinen in der Proteinsequenz. Mit den Aminosäuren Cys171, Cys253 und Cys461 wurden drei Cysteine gefunden, die einem Strukturvergleich nach an der Proteinoberfläche liegen und möglicherweise durch Quervernetzungen mit anderen Proteinmolekülen ein heterogenes Gemisch bilden, das nicht geordnet kristallisieren kann. Durch gezielte Mutationen dieser drei Aminosäuren könnte die Kristallisation zukünftig ermöglicht werden. Für die SG waren bereits Bedingungen bekannt bei denen nicht vermessbare Enzymkristalle (Nadeln) wuchsen. In weit gefächerten Versuchen konnten diese Kristalle jedoch nicht zu 3D-Wachstum angeregt werden. Es wurden mit einem HTS-Screening neue Bedingungen zur Kristallisation gefunden. Anschließend konnten die native Struktur und der Strictosidin/Enzym-Komplex vermessen und aufgeklärt werden. Die SG gehört zur Familie 1 der Glukosidasen (GH-1) und besitzt die in dieser Familie konservierte (beta/alpha)8-Barrel-Faltung. Im Vergleich mit 16 bekannten Glykosidasen der Familie GH-1 wurde die Substratbindung untersucht. Dabei wurde die in der Familie konservierte Zuckerbindung vorgefunden, jedoch große Unterschiede in der Aglykonbindung entdeckt. Es wurden Bedingungen für die Konformationsänderung des Trp388 erkannt. Diese Konformationsänderung dirigiert den Aglykonteil des Substrates auf verschiedene Seiten der Substratbindungstasche und teilt so die Familie GH-1 in zwei Gruppen.

Charakterisierung zentraler Enzyme des Ajmalin-Biosynthesewegs aus Rauvolfia serpentina

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Enzyme des Ajmalin-Biosynthesewegs aus der Arzneipflanze Rauvolfia serpentina charakterisiert. Dabei handelt es sich einerseits um die Vomilenin-Reduktase und die 2β-(R)-1.2-Dihydrovomilenin-Reduktase. Es wurden Versuche unternommen, diese Enzyme heterolog zu exprimieren. Eine aktive Expression konnte nicht durchgeführt werden, was mit großer Wahrscheinlichkeit auf Modifikationen in der Ursprungspflanze zurückzuführen ist. Allerdings bestehen auch Zweifel, ob es sich bei den Volllängenklonen um die cDNAs der Reduktasen handelte. Zum anderen sollte eine Strukturaufklärung der Vinorin-Synthase im Komplex mit Liganden vorgenommen werden. Die erhaltenen Proteinkristalle stellten sich als derart empfindlich gegenüber Schwankungen ihrer Umgebung und dem Eindringen von Liganden in den Kristall dar, dass eine erfolgreiche Komplexierung und strukturelle Beschreibung durch Röntgenstrukturanalyse nicht möglich war. Weiterhin wurden Mutagenesestudien mit der Vinorin-Synthase durchgeführt. Eine Asparaginsäure bildet eine Salzbrücke mit einem Arginin. Alle durchgeführten Mutationen dieser Asparaginsäure führten zu einem absoluten Aktivitätsverlust. Eine Funktion des Asparagins 277, als mitverantwortliche Aminosäure zur Bindung des Co-Substrats Acetyl-CoA, konnte anhand der Mutagenesestudien ausgeschlossen werden. Weiterhin ist es erstmals gelungen die Polyneuridinaldehyd-Esterase aus Rauvolfia serpentina zu kristallisieren. Schließlich konnte die dreidimensionale Struktur der Polyneuridinaldehyd-Esterase aufgeklärt werden. Es folgte eine Beschreibung struktureller Eigenschaften der Polyneuridinaldehyd-Esterase im Vergleich zu einem Modell, welches durch ein „Molecular Modelling“ erstellt wurde.

Anaerobic pathways in the Porifera: Strombine dehydrogenase, an opine dehydrogenase, from the sponge Suberites domuncula

The study presented here encompasses identification, analysis and characterization of the strombine dehydrogenase (StDH) from the sponge S. domuncula, on the gene and protein level. StDH is an opine dehydrogenase which is involved in opine production pathways found mainly in marine invertebrates. These anaerobic pathways are regarded as analogues to the classical anaerobic glycolytic pathway (lactate production pathway), which is predominant in vertebrates. The StDH was previously annotated as a tauropine dehydrogenase (TaDH) on the basis of its 68% identity with the TaDH protein from Halichondria japonica. Subsequent enzymatic assays showed that S. domuncula opine dehydrogenase is in fact strombine dehydrogenase which possesses specific characteristics not found in other proteins of the same family. It is described here for the first time the StDH gene in Eukaryotes. Two allelic variants have been identified which are present in the different specimens either as a homozygotic or a heterozygotic. Phylogenetic analyses supported with enzymatic assays indicate that S. domuncula StDH is only distantly related to the opine dehydrogenases from marine invertebrates. StDH showed that the protein is highly specific to glycine and inhibited by the substrate pyruvate. Furthermore, S. domunucla StDH has a dimeric structure (~75 kDa) which is not observed in so far described OpDHs that are monomeric proteins. This enzyme showed similarities to the OCD/mu-cristallyin protein family. Results showed that a sponge StDH is unusual enzyme that belongs to the independent enzyme class. In addition, expression studies revealed that the StDH is down-regulated with aeration. Immunohistology analyses showed high expression of the protein in almost all sponge cells. A strong accumulation of the enzyme was seen around the bacteria indicating that under aerobic conditions the bacteria might metabolize strombine (end product of the reaction). In conclusion, the data documented here shed new light on the anaerobic pathways in marine invertebrates. Potential mutual influences between bacteria and sponge are discussed as well. Hopefully, these results could have a small but important contribution to the better understanding of the evolution in the animal kingdom.

Hyperverzweigte Lacton-Copolymere: enzymatische Synthese, Charakterisierung und Darstellung strukturierter Polymernetzwerke = (Hyperbranched lactone copolymers by enzyme catalysis: synthesis, characterization and preparation of structured polymer networks)

Hyperverzweigte Polymere erfuhren in den letzten Jahren immer mehr Beachtung, da sie im Vergleich zu ihren linearen Analoga besondere Eigenschaften besitzen. Im Jahre 2002 wurde die erste enzymkatalysierte Darstellung hyperverzweigter Poly(epsilon-caprolacton)e (hb-PCL) beschrieben. Hier ermöglichte das Konzept der konkurrierenden ringöffnenden Polymerisation und Polykondensation die Kontrolle der Eigenschaften des dargestellten Polymers. Detaillierte Untersuchungen in Hinblick auf Grenzen und Möglichkeiten, aber auch die Synthese im Technikumsmaßstab sind wesentliche Aspekte dieser Arbeit. Außerdem wird ein neues Konzept eingeführt, das Reknitting genannt wurde. Ziel desselben ist das Recycling kommerziellen, linearen PCLs mittels Umesterung zu hb-PCL durch Enzymkatalyse. Diese hb-PCLs zeigen vergleichbare Eigenschaften zu den aus den Comonomeren dargestellten. Ausgehend von hb-PCL sollte eine geeignete Route zu methacrylierten Vernetzerverbindungen entwickelt werden. Aus Mischungen derselben mit 2-Hydroxyethylmethacrylat wurden komplexe Netzwerkarchitekturen durch Copolymerisation erhalten. Diese Netzwerke wurden in Hinblick auf ihre mechanisch physikalischen Eigenschaften untersucht. Zuletzt wurden Screeningexperimente an anderen zyklischen Estern durchgeführt, da ein Transfer des oben vorgestellten Konzepts angestrebt wurde. Zwei neue hyperverzweigte Polymerklassen, hb-Poly(delta-valerolacton) und hb-Polytrimethylencarbonat wurden detaillierter untersucht und in Ihren Eigenschaften mit hb-PCL verglichen.

The inhibition of aerobic glycolysis as a therapeutic approach to improve cancer chemotherapy

The aim of the research project discussed in this thesis was to study the inhibition of aerobic glycolysis, that is the metabolic pathway exploited by cancer cells for the ATP generation. This observation has led to the evaluation of glycolytic inhibitors as potential anticancer agents. Lactate dehydrogenase (LDH) is the only enzyme whose inhibition should allow a blocking of aerobic glycolysis of tumor cells without damaging the normal cells which, in conditions of normal functional activity and sufficient oxygen supply, do not need this enzyme. In preliminar experiments we demonstrated that oxamic acid and tartronic acid, two LDH competitive inhibitors, impaired aerobic glycolysis and replication of cells from human hepatocellular carcinoma. Therefore, we proposed that the depletion of ATP levels in neoplastic cells, could improved the chemotherapeutic index of associated anticancer drugs; in particular, it was studied the association of oxamic acid and multi-targeted kinase inhibitors. A synergistic effect in combination with sorafenib was observed, and we demonstrated that this was related to the capacity of sorafenib to hinder the oxidative phosphorylation, so that cells were more dependent to aerobic glycolysis. These results linked to LDH blockage encouraged us to search for LDH inhibitors more powerful than oxamic acid; thus, in collaboration with the Department of Pharmaceutical Sciences of Bologna University we identified a new molecule, galloflavin, able to inhibit both A and B isoforms of LDH enzyme. The effects of galloflavin were studied on different human cancer cell lines (hepatocellular carcinoma, breast cancer, Burkitt’s lymphoma). Although exhibiting different power on the tested cell lines, galloflavin was constantly found to inhibit lactate and ATP production and to induce cell death, mainly in the form of apoptosis. Finally, as LDH-A is able to bind single stranded DNA, thus stimulating cell transcription, galloflavin effects were also studied on this other LDH function.

Study of molecular mechanisms in cardio- and neuroprotection and possibility of modulation by nutraceutical phytocomponents

Ischemic preconditioning is a complex cardioprotective phenomenon that involves adaptive changes in cells and molecules. This adaptation occurs in a biphasic pattern: an early phase which develops after 1-2 h, and a late phase that develops after 12-24 h. While it is widely accepted that reactive oxygen species (ROS) are strongly involved in triggering ischemic preconditiong, it is not clear if they play a major role in the early or late phase of preconditioning and which are the mechanisms involved. Methylglyoxal, a metabolic compound formed mainly from the glycolytic intermediate glyceraldehyde-3-phosphate., is a precursor of advanced glycation end product (AGEs) .It is more reactive than glucose and shows a stronger ability to cross-link with protein amino groups to form AGEs. Methylglyoxal induced cytotoxicity may be at least partially responsible for cardiovascular and Alzheimer diseases. Methylglyoxal omeostasis is controlled by the glyoxalase system that consists of two enzyme, glyoxalase 1 (GLO1) and glyoxalase 2. In a recent study it was demonstrated that the transcriptional levels of GLO1 are controlled by NF-E2-related factor 2 (Nrf2). The isothiocyanate sulforaphane, derived from the hydrolysis of glucoraphanin abundantly present in broccoli, represents one of the most potent inducers of phase II enzymes through the Keap1–Nrf2 pathway. The aim of this thesis was evaluated molecular mechanisms in cardio- and neuroprotection and the possibility of modulation by nutraceutical phytocomponents This thesis show to one side that the protection induced by H2O2 is mediated by detoxifying and antioxidant phase II enzymes induction, regulated, not only by transcriptional factor Nrf2, but also by Nrf1; on the other side our data represent an innovative result because for the first time it was demonstrated the possibility of inducing GLO1 by SF supplementation.

Land use change to perennial energy crops in Northern Italy: Effects on soil organic carbon sequestration and distribution, soil enzyme activities and microbial communities.

Studies on soil organic carbon (SOC) sequestration in perennial energy crops are available for North-Central Europe, while there is insufficient information for Southern Europe. This research was conducted in the Po Valley, a Mediterranean-temperate zone characterised by low SOC levels, due to intensive management. The aim was to assess the factors influencing SOC sequestration and its distribution through depth and within soil fractions, after a 9-year old conversion from two annual systems to Miscanthus (Miscanthus × giganteus) and giant reed (Arundo donax). The 13C natural abundance was used to evaluate the amount of SOC in annual and perennial species, and determine the percentage of carbon derived from perennial crops. SOC was significantly higher under perennial species, especially in the topsoil (0-0.15 m). After 9 years, the amount of C derived from Miscanthus was 18.7 Mg ha-1, mostly stored at 0-0.15 m, whereas the amount of C derived from giant reed was 34.7 Mg ha-1, evenly distributed through layers. Physical soil fractionation was combined with 13C abundance analysis. C derived from perennial crops was mainly found in macroaggregates. Under giant reed, more newly derived-carbon was stored in microaggregates and mineral fraction than under Miscanthus. A molecular approach based on denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) allowed to evaluate changes on microbial community, after the introduction of perennial crops. Functional aspects were investigated by determining relevant soil enzymes (β-glucosidase, urease, alkaline phosphatase). Perennial crops positively stimulated these enzymes, especially in the topsoil. DGGE profiles revealed that community richness was higher in perennial crops; Shannon index of diversity was influenced only by depth. In conclusion, Miscanthus and giant reed represent a sustainable choice for the recovery of soils exhausted by intensive management, also in Mediterranean conditions and this is relevant mainly because this geographical area is notoriously characterised by a rapid turnover of SOC.

Glukosestoffwechsel und Strahlentherapie solider, maligner Tumoren

Der Tumorstoffwechsel ist charakterisiert durch eine erhöhte Glykolyserate und die Anreicherung von Laktat auch in Anwesenheit von Sauerstoff. In früheren Arbeiten dieser Arbeitsgruppe konnte gezeigt werden, dass ein hoher Laktatgehalt in Primärtumoren signifikant mit einem gesteigerten Metastasierungsverhalten und einer schlechteren Patientenprognose verknüpft ist. Ein wichtiges Verfahren zur Bestimmung des Metabolitstatus in kryokonservierten Tumorschnitten ist die induzierte, metabolische Biolumineszenz. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neues, digitales Kamerasystem für Biolumineszenzmessungen etabliert. Außerdem wurde der für die Laktat- und Glukosemessungen benötigte Enzymmix optimiert, so dass eine bessere Lichtausbeute und eine Kosteneinsparung von etwa 50% erzielt werden konnte. Durch die Einführung von Kontrollmessungen und die Verwendung eines neu entwickelten ImageJ-PlugIns für eine halbautomatisierte Auswertung, konnte ein zuverlässiges Messsystem etabliert werden, das Ergebnisse mit einer verbesserten Reproduzierbarkeit liefert. rnDieses neue Messsytem wurde in einer Studie an zehn humanen xenotransplantierten Plattenepithelkarzinomen des Kopf-Hals-Bereiches erfolgreich eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass eine signifikante, positive Korrelation zwischen dem Laktatgehalt in soliden Primärtumoren und der Resistenz gegenüber einer fraktionierten Strahlentherapie besteht. rnIn einer weiterführenden Studie wurde im gleichen Xenograftmodell der Einfluss einer fraktionierten Strahlentherapie auf den Tumorstoffwechsel untersucht. Der Vergleich von zwei humanen Plattenepithelkarzinomlinien des Kopf-Hals-Bereichs im Verlauf einer fraktionierten Strahlentherapie zeigt deutliche Unterschiede zwischen strahlenresistenten und strahlensensiblen Tumoren. In der strahlenempfindlichen Tumorlinie UT-SCC 14 treten nach Bestrahlung mit drei Fraktionen in der Expression glykolyse-assoziierter Gene und nach zehn Fraktionen im ATP- und Laktatgehalt signifikante Veränderungen auf. Im Gegensatz dazu wird bei der strahlenresistenten Linie UT-SCC 5 lediglich eine Absenkung des Laktatgehaltes nach zehn Fraktionen beobachtet, nicht jedoch des ATP-Gehalts. Die mRNA-Expression wird in UT-SCC 5 nicht durch eine fraktionierte Bestrahlung verändert. Diese Ergebnisse liefern erste Hinweise, dass das mRNA-Expressionslevel und der Metabolitgehalt frühe Marker für das Ansprechen auf eine Strahlentherapie sein können.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

Die Rolle der humanen Enzyme Paraoxonase-2 und -3 bei Krebserkrankungen und Pseudomonas-Infektionen

Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Charakterisierung molekularer Funktionen humaner Paraoxonase (PON) Enzyme, insbesondere die der Proteine PON2 und PON3 im Hinblick auf medizinisch-relevante Fragestellungen. Zum einen wurde die Rolle von PON3 in der Tumorgenese und zum anderen eine mögliche Schutzfunktion von PON2 und PON3 gegenüber P. aeruginosa Infektionen untersucht. Bereits seit dem Jahr 2000 ist die anti-oxidative Eigenschaft von PON3 bekannt, jedoch war der zugrundeliegende Mechanismus bisher ungeklärt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass PON3 die Superoxid-Entstehung in den Mitochondrien abschwächt, wobei sie ihre anti-oxidative Eigenschaft vermutlich durch eine direkte Coenzym Q10-Interaktion in der inneren mitochondrialen Membran vermittelt. Dies führt zu weniger oxidativen Stress, zur Abschwächung mitochondrial-induzierter apoptotischer Signalwege und zur erhöhten Resistenz gegenüber Chemotherapeutika. Gleichzeitig wurde demonstriert, dass sich Tumorzellen diese anti-oxidative Eigenschaft zu Nutze machen. PON3 war in zahlreichen Tumorgeweben überexprimiert. Es konnte eine mögliche Funktion von PON3 als Tumormarker und Angriffspunkt in der Krebstherapie aufgezeigt werden. Die hier erlangten Daten liefern wertvolle Hinweise auf die Rolle von PON3 in Krebserkrankungen, welche eine Basis für zukünftige Analysen darstellen, die der Entwicklung neuer Krebstherapien dienen könnten. Ein weiterer Teil der Arbeit befasste sich mit der gegenseitigen Beeinflussung der Enzyme PON2 / PON3 und der für P.aeruginosa essentiellen Virulenzfaktoren Pyocyanin (PCN) und dem Lacton 3OC12. Erstmalig wurde gezeigt, dass PON3 zellschädigende PCN-Effekte abschwächen kann, nämlich die PCN-induzierte Superoxid-Produktion, NF-kB-Aktivierung und IL-8-Sekretion. PON2 schützt in gleicher Weise gegen PCN und hydrolysiert zugleich noch das Lacton 3OC12. Folglich sind PON2 und PON3 wichtige Bestandteile der angeborenen Immunität, werden jedoch durch eine 3OC12-induzierte Ca2+-Mobilisation inaktiviert. Weitere Analysen ergaben, dass die PON2-Inaktivierung wahrscheinlich über einen Ca2+ / Calcineurin / Calmodulin-abhängigen Signalweg erfolgt, welcher eine offenbar regulative Serin311-Dephosphorylierung in PON2 vermittelt. Ähnliches könnte für PON3 gelten und wird derzeit erforscht, da eine Stabilisierung der enzymatischen Aktivitäten von PON2 und PON3 der bakteriellen Virulenz entscheidend entgegen wirken könnte.

Natural compounds Camptothecin and Triptolide: highly specific enzyme inhibitors and tools to dissect transcriptional functions

With this work I elucidated new and unexpected mechanisms of two strong and highly specific transcription inhibitors: Triptolide and Campthotecin. Triptolide (TPL) is a diterpene epoxide derived from the Chinese plant Trypterigium Wilfoordii Hook F. TPL inhibits the ATPase activity of XPB, a subunit of the general transcription factor TFIIH. In this thesis I found that degradation of Rbp1 (the largest subunit of RNA Polymerase II) caused by TPL treatments, is preceded by an hyperphosphorylation event at serine 5 of the carboxy-terminal domain (CTD) of Rbp1. This event is concomitant with a block of RNA Polymerase II at promoters of active genes. The enzyme responsible for Ser5 hyperphosphorylation event is CDK7. Notably, CDK7 downregulation rescued both Ser5 hyperphosphorylation and Rbp1 degradation triggered by TPL. Camptothecin (CPT), derived from the plant Camptotheca acuminata, specifically inhibits topoisomerase 1 (Top1). We first found that CPT induced antisense transcription at divergent CpG islands promoter. Interestingly, by immunofluorescence experiments, CPT was found to induce a burst of R loop structures (DNA/RNA hybrids) at nucleoli and mitochondria. We then decided to investigate the role of Top1 in R loop homeostasis through a short interfering RNA approach (RNAi). Using DNA/RNA immunoprecipitation techniques coupled to NGS I found that Top1 depletion induces an increase of R loops at a genome-wide level. We found that such increase occurs on the entire gene body. At a subset of loci R loops resulted particularly stressed after Top1 depletion: some of these genes showed the formation of new R loops structures, whereas other loci showed a reduction of R loops. Interestingly we found that new peaks usually appear at tandem or divergent genes in the entire gene body, while losses of R loop peaks seems to be a feature specific of 3’ end regions of convergent genes.