Cobalt(II) complexes of terpyridine bases as photochemotherapeutic agents showing cellular uptake and photocytotoxicity in visible light

Cobalt(II) complexes of terpyridine bases Co(L)(2)](ClO4)(2) (1-3), where L is 4'-phenyl-2,2':6',2''-terpyridine (ph-tpy in 1), 4'-(9-anthracenyl)-2,2':6',2''-terpyridine (an-tpy in 2) and 4'-(1-pyrenyl)-2,2':6',2''-terpyridine (py-tpy in 3), are prepared and their photo-induced DNA and protein cleavage activity and photocytotoxic property in HeLa cells studied. The 1 : 2 electrolytic and three-electron paramagnetic complexes show a visible band near 550 nm in DMF-Tris-HCl buffer. The complexes 1-3 show emission spectral bands at 355, 421 and 454 nm, respectively, when excited at 287, 368 and 335 nm. The quantum yield values for 1-3 in DMF-H2O (2 : 1 v/v) are 0.025, 0.060 and 0.28, respectively. The complexes are redox active in DMF-0.1 M TBAP. The Co(III)-Co(II) and Co(II)-Co(I) couples appear as quasi-reversible cyclic voltammetric responses near 0.2 and -0.7 V vs. SCE, respectively. Complexes 2 and 3 are avid binders to calf thymus DNA giving K-b value of similar to 10(6) M-1. The complexes show chemical nuclease activity. Complexes 2 and 3 exhibit oxidative cleavage of pUC19 DNA in UV-A and visible light. The DNA photocleavage reaction of 3 at 365 nm shows formation of singlet oxygen and hydroxyl radical species, while only hydroxyl radical formation is evidenced in visible light. Complexes 2 and 3 show non-specific photo-induced bovine serum albumin protein cleavage activity at 365 nm. The an-tpy and py-tpy complexes exhibit significant photocytotoxicity in HeLa cervical cancer cells on exposure to visible light giving IC50 values of 24.2 and 7.6 mu M, respectively. Live cell imaging study shows accumulation of the complexes in the cytosol of HeLa cancer cells.

BLOC-2 targets recycling endosomal tubules to melanosomes for cargo delivery

Hermansky-Pudlak syndrome (HPS) is a group of disorders characterized by the malformation of lysosome-related organelles, such as pigment cell melanosomes. Three of nine characterized HPS subtypes result from mutations in subunits of BLOC-2, a protein complex with no known molecular function. In this paper, we exploit melanocytes from mouse HPS models to place BLOC-2 within a cargo transport pathway from recycling endosomal domains to maturing melanosomes. In BLOC-2-deficient melanocytes, the melanosomal protein TYRP1 was largely depleted from pigment granules and underwent accelerated recycling from endosomes to the plasma membrane and to the Golgi. By live-cell imaging, recycling endosomal tubules of wild-type melanocytes made frequent and prolonged contacts with maturing melanosomes; in contrast, tubules from BLOC-2-deficient cells were shorter in length and made fewer, more transient contacts with melanosomes. These results support a model in which BLOC-2 functions to direct recycling endosomal tubular transport intermediates to maturing melanosomes and thereby promote cargo delivery and optimal pigmentation.

STX13 regulates cargo delivery from recycling endosomes during melanosome biogenesis

Melanosomes are a class of lysosome-related organelles produced by melanocytes. Biogenesis of melanosomes requires the transport of melanin-synthesizing enzymes from tubular recycling endosomes to maturing melanosomes. The SNARE proteins involved in these transport or fusion steps have been poorly studied. We found that depletion of syntaxin 13 (STX13, also known as STX12), a recycling endosomal Qa-SNARE, inhibits pigment granule maturation in melanocytes by rerouting the melanosomal proteins such as TYR and TYRP1 to lysosomes. Furthermore, live-cell imaging and electron microscopy studies showed that STX13 co-distributed with melanosomal cargo in the tubular-vesicular endosomes that are closely associated with the maturing melanosomes. STX family proteins contain an N-terminal regulatory domain, and deletion of this domain in STX13 increases both the SNARE activity in vivo and melanosome cargo transport and pigmentation, suggesting that STX13 acts as a fusion SNARE in melanosomal trafficking pathways. In addition, STX13-dependent cargo transport requires the melanosomal R-SNARE VAMP7, and its silencing blocks the melanosome maturation, reflecting a defect in endosome-melanosome fusion. Moreover, we show mutual dependency between STX13 and VAMP7 in regulating their localization for efficient cargo delivery to melanosomes.

A Pd-8 Tetrafacial Molecular Barrel as Carrier for Water Insoluble Fluorophore

A new carbazole-based tetraimidazole ligand 1,3,6,8-tetra(1H-imidazol-1-yl)-9-methyl-9H-carbazole (L) has been synthesized. The unsymmetrical nature of L as well as the rotational freedom of imidazole donor moieties around C-N bond make it a special building unit, which upon treatment with cis-(tmeda)Pd(NO3)(2) produced an unprecedented single linkage-isomeric Pd-8 tetrafacial molecular nanobarrel (PSMBR-1) tmeda N,N,N',N'-tetramethylethane-1,2-diamine]. Unlike closed architectures, open barrel architecture of water-soluble PSMBR-1 makes it an ideal host for some water insoluble polyaromatic hydrocarbons in aqueous medium; one such inclusion complex coroneneCPSMBR-1 was characterized by X-ray diffraction study. Moreover, the potential application of PSMER-1 as carrier in aqueous medium for the transportation of water insoluble fluorophore (perylene) for live cell imaging is explored.

Revealing, illuminating, and modifying proteins in human diseases using noncanonical amino acids

To better understand human diseases, much recent work has focused on proteins to either identify disease targets through proteomics or produce therapeutics via protein engineering. Noncanonical amino acids (ncAAs) are tools for altering the chemical and physical properties of proteins, providing a facile strategy not only to label proteins but also to engineer proteins with novel properties. My thesis research has focused on the development and applications of noncanonical amino acids in identifying, imaging, and engineering proteins for studying human diseases. Chapter 1 introduces the concept of ncAAs and reveals insights to how I chose my thesis projects.

ncAAs have been incorporated to tag and enrich newly synthesized proteins for mass spectrometry through a method termed BONCAT, or bioorthogonal noncanonical amino acid tagging. Chapter 2 describes the investigation of the proteomic response of human breast cancer cells to induced expression of tumor suppressor microRNA miR-126 by combining BONCAT with another proteomic method, SILAC or stable isotope labeling by amino acids in cell culture. This proteomic analysis led to the discovery of a direct target of miR-126, shedding new light on its role in suppressing cancer metastasis.

In addition to mass spectrometry, ncAAs can also be utilized to fluorescently label proteins. Chapter 3 details the synthesis of a set of cell-permeant cyclooctyne probes and demonstration of selective labeling of newly synthesized proteins in live mammalian cells using azidohomoalanine. Similar to live cell imaging, the ability to selectively label a particular cell type within a mixed cell population is important to interrogating many biological systems, such as tumor microenvironments. By taking advantage of the metabolic differences between cancer and normal cells, Chapter 5 discusses efforts to develop selective labeling of cancer cells using a glutamine analogue.

Furthermore, Chapter 4 describes the first demonstration of global replacement at polar amino acid positions and its application in developing an alternative PEGylation strategy for therapeutic proteins. Polar amino acids typically occupy solvent-exposed positions on the protein surface, and incorporation of noncanonical amino acids at these positions should allow easier modification and cause less perturbation compared to replacements at the interior positions of proteins.

UNC-6 (netrin) stabilizes oscillatory clustering of the UNC-40 (DCC) receptor to orient polarity.

The receptor deleted in colorectal cancer (DCC) directs dynamic polarizing activities in animals toward its extracellular ligand netrin. How DCC polarizes toward netrin is poorly understood. By performing live-cell imaging of the DCC orthologue UNC-40 during anchor cell invasion in Caenorhabditis elegans, we have found that UNC-40 clusters, recruits F-actin effectors, and generates F-actin in the absence of UNC-6 (netrin). Time-lapse analyses revealed that UNC-40 clusters assemble, disassemble, and reform at periodic intervals in different regions of the cell membrane. This oscillatory behavior indicates that UNC-40 clusters through a mechanism involving interlinked positive (formation) and negative (disassembly) feedback. We show that endogenous UNC-6 and ectopically provided UNC-6 orient and stabilize UNC-40 clustering. Furthermore, the UNC-40-binding protein MADD-2 (a TRIM family protein) promotes ligand-independent clustering and robust UNC-40 polarization toward UNC-6. Together, our data suggest that UNC-6 (netrin) directs polarized responses by stabilizing UNC-40 clustering. We propose that ligand-independent UNC-40 clustering provides a robust and adaptable mechanism to polarize toward netrin.

The Origin of Phragmoplast Asymmetry

The phragmoplast coordinates cytokinesis in plants [1]. It directs vesicles to the midzone, the site where they coalesce to form the new cell plate. Failure in phragmoplast function results in aborted or incomplete cytokinesis leading to embryo lethality, morphological defects, or multinucleate cells [2, 3]. The asymmetry of vesicular traffic is regulated by microtubules [1, 4, 5, 6], and the current model suggests that this asymmetry is established and maintained through treadmilling of parallel microtubules. However, we have analyzed the behavior of microtubules in the phragmoplast using live-cell imaging coupled with mathematical modeling and dynamic simulations and report that microtubules initiate randomly in the phragmoplast and that the majority exhibit dynamic instability with higher turnover rates nearer to the midzone. The directional transport of vesicles is possible because the majority of the microtubules polymerize toward the midzone. Here, we propose the first inclusive model where microtubule dynamics and phragmoplast asymmetry are consistent with the localization and activity of proteins known to regulate microtubule assembly and disassembly.

Molecular mechanisms for the regulation of skin homeostasis

L'ubiquitination est une modification des protéines conservée, consistant en l'addition de résidus « ubiquitine » et régulant le destin cellulaire des protéines. La protéine « TRAF-interacting protein » TRAIP (ou TRIP) est une ligase E3 qui catalyse l'étape finale de l'ubiquitination. TRAIP est conservé dans l'évolution et est nécessaire au développement des organismes puisque l'ablation de TRAIP conduit à la mort embryonnaire aussi bien de la drosophile que de la souris. De plus, la réduction de l'expression de TRAIP dans des kératinocytes épidermiques humains réprime la prolifération cellulaire et induit un arrêt du cycle cellulaire en phase Gl, soulignant le lien étroit entre TRAIP et la prolifération cellulaire. Comme les mécanismes de régulation de la prolifération jouent un rôle majeur dans l'homéostasie de la peau, il est important de caractériser la fonction de TRAIP dans ces mécanismes. En utilisant des approches in vitro, nous avons déterminé que la protéine TRAIP est instable, modifiée par l'addition d'ubiquitine et ayant une demi-vie d'environ 4 heures. Nos analyses ont également révélé que l'expression de TRAIP est dépendante du cycle cellulaire, atteignant un pic d'expression en phase G2/M et que l'induction de son expression s'effectue principalement au cours de la transition Gl/S. Nous avons identifié le facteur de transcription E2F1 comme en étant le responsable, en régulant directement le promoteur de TRAIP. Aussi, TRAIP endogène ou surexprimée est surtout localisée au niveau du nucléole, une organelle nucléaire qui est désassemblée pendant la division cellulaire. Pour examiner la localisation subcellulaire de TRAIP pendant la mitose, nous avons imagé la protéine TRAIP fusionnée à une protéine fluorescente, à l'intérieur de cellules vivantes nommées HeLa, à l'aide d'un microscope confocal. Dans ces conditions, TRAIP est majoritairement localisée autour des chromosomes en début de mitose, puis est arrangée au niveau de l'ADN chromosomique en fin de mitose. La détection de TRAIP endogène à l'aide d'un anticorps spécifique a confirmé cette localisation. Enfin, l'inactivation de TRAIP dans les cellules HeLa par interférence ARN a inhibé leur capacité à s'arrêter en milieu de mitose. Nos résultats suggèrent que le mécanisme sous-jacent peut être lié au point de contrôle de l'assemblage du fuseau mitotique. - Ubiquitination of proteins is a post-translational modification which decides the cellular fate of the protein. The TRAF-interacting protein (TRAIP, TRIP) functions as an E3 ubiquitin ligase mediating addition of ubiquitin moieties to proteins. TRAIP interacts with the deubiquitinase CYLD, a tumor suppressor whose functional inactivation leads to skin appendage tumors. TRAIP is required for early embryonic development since removal of TRAIP either in Drosophila or mice by mutations or knock¬out is lethal due to aberrant regulation of cell proliferation and apoptosis. Furthermore, shRNA- mediated knock-down of TRAIP in human epidermal keratinocytes (HEK) repressed cell proliferation and induced a Gl/S phase block in the cell cycle. Additionally, TRAIP expression is strongly down- regulated during keratinocyte differentiation supporting the notion of a tight link between TRAIP and cell proliferation. We thus examined the biological functions of TRAIP in epithelial cell proliferation. Using an in vitro approach, we could determine that the TRAIP protein is unstable, modified by addition of ubiquitin moieties after translation and exhibits a half-life of 3.7+/-1-6 hours. Our analysis revealed that the TRAIP expression is modulated in a cell-cycle dependent manner, reaching a maximum expression level in G2/M phases. In addition, the expression of TRAIP was particularly activated during Gl/S phase transition and we could identify the transcription factor E2F1 as an activator of the TRAIP gene promoter. Both endogenous and over-expressed TRAIP mainly localized to the nucleolus, a nuclear organelle which is disassembled during cell division. To examine the subcellular localization of TRAIP during M phase, we performed confocal live-cell imaging of a functional fluorescent protein TRAIP-GFP in HeLa cells. TRAIP was distributed in the cytoplasm and accumulated around mitotic chromosomes in pro- and meta-phasic cells. TRAIP was then confined to chromosomal DNA location in anaphase and later phases of mitosis. Immune-detection of endogenous TRAIP protein confirmed its particular localization in mitosis. Finally, inactivating TRAIP expression in HeLa cells using RNA interference abrogated the cells ability to stop or delay mitosis progression. Our results suggested that TRAIP may involve the spindle assembly checkpoint.

Dissection du processus d’export des ARNm nucléaires par des approches de molécules uniques chez Saccharomyces cerevisae

Enfermer le porteur de l’information génétique dans le noyau a obligée la cellule a créé un système de transport complexe, qui permet l’export d’un ARNm du noyau au cytoplasme. Le mécanisme général de l’export des ARNm est encore mal connu, même si les facteurs principaux ont été découverts il y a longtemps. De récents progrès en microscopie nous ont permis d’étudier directement le comportement des ARNm durant le processus d’export. Durant ma maitrise, nous avons été capables de localiser et suivre des ARNm en temps réel pour la première fois chez Saccharomyces cerevisiae. Nous avons créé un gène rapporteur en mettant le gène GLT1 sous le contrôle du promoteur GAL1. Nous avons aussi marqué l’ARNm de GLT1 avec plusieurs boucles PP7. L’ARNm sera visible après l’attachement de plusieurs protéines PP7-GFP aux boucles. En utilisant la technique d’imagerie en cellules vivantes, nous sommes capable de visualiser et suivre chaque ARNm, depuis son relâchement du site de transcription jusqu’à l’export. Une fois relâché du site de transcription, l’ARNm diffuse librement dans le nucléoplasme, mais une fois à la périphérie nucléaire, il commence à « scanner » l’enveloppe nucléaire avant d’être exporté. Nous avons trouvé que le « scanning » dépend de la présence des Myosin Like Proteins (Mlp1p et Mlp2p), protéines qui forment le panier nucléaire, car suite à la délétion de MLP1 et MLP2, les ARNm n’étaient plus capable de « scanner ». Nous avons également trouvé que la partie C-terminale de Mlp1p était nécessaire au « scanning ». De plus, suite à la délétion du gène TOM1, gène codant pour une ubiquitine ligase, les ARNm ont un comportement similaire aux ARNm d’une souche ∆mlp1/mlp2, suggérant que le « scanning » permet à Tom1p d’ubiquitiner Yra1p, ce qui causera son relâchement de l’ARNm. Également, nous avons montré que les ARNm endogènes MDN1 et CBL2 scannent aussi la périphérie nucléaire. Ensemble, nos résultats suggèrent que le scanning est un processus par lequel passent tout les ARNm nucléaire lorsqu’ils se retrouvent à la périphérie du noyau, pour initier plusieurs étapes de réarrangements nécessaires à leurs export. De plus, nous avons examiné le rôle de Yhr127p, une protéine nouvellement identifiée qui se lie à l’ARN. Après avoir marqué cette protéine avec la GFP, nous avons montré qu’elle forme des foci dans le noyau et que ces derniers vont disparaitre suite à l’arrêt de la transcription. La délétion de YHR127 à conduit à une augmentation de la transcription de quelques gènes spécifiques, mais n’affecte pas la capacité de la cellule à exporter les ARNm. Nos résultats suggèrent que cette protéine joue un rôle dans la régulation de la transcription et/ou dans la stabilité de l’ARNm.

Biogenesis of the C. elegans germline syncytium: from nucleation to maturation

La vie commence par la fusion des gamètes pour générer un zygote, dans lequel les constituants à la fois de l'ovocyte et des spermatozoïdes sont partagés au sein d'un syncytium. Le syncytium consiste en des cellules ou tissus dans lesquels des cellules nucléées individuelles distinctes partagent un cytoplasme commun. Alors que l’avantage du syncytium durant la fécondation est tout à fait évident, les syncytia se produisent également dans de nombreux contextes de développement différents dans les plantes, les champignons et dans le règne animal, des insectes aux humains, pour des raisons qui ne sont pas immédiatement évidentes. Par exemple, la lignée germinale de nombreuses espèces de vertébrés et d'invertébrés, des insectes aux humains, présente une structure syncytiale, suggérant que les syncytia constituent des phases conservées de développement de la lignée germinale. Malgré la prévalence commune des syncytia, ces derniers ont cependant confondu les scientifiques depuis des décennies avec des questions telles que la façon dont ils sont formés et maintenus en concurrence avec leurs homologues diploïdes, et quels sont les avantages et les inconvénients qu'ils apportent. Cette thèse va décrire l'utilisation de la lignée germinale syncytiale de C. elegans afin d'approfondir notre compréhension de l'architecture, la fonction et le mode de formation des tissus syncytiaux. Les cellules germinales (CGs) dans la lignée germinale de C. elegans sont interconnectées les unes aux autres par l'intermédiaire de structures appelées des anneaux de CG. En utilisant l'imagerie des cellules vivantes, nous avons d'abord analysé l'architecture syncytiale de la lignée germinale au long du développement et démontré que la maturation de l'anneau de CG se produit progressivement au cours de la croissance des larves et que les anneaux de CG sont composés de myosine II, de l'anilline canonique ANI-1, et de la courte isoforme d’anilline ANI-2, qui n'a pas les domaines de liaison à l’actine et à la myosine, depuis le premier stade larvaire, L1. Parmi les composants de l'anneau de CG, ANI-2 est exprimé au cours du développement et exclusivement enrichi entre les deux CGs primordiales (CGPs) au cours de l'embryogenèse de C. elegans, indiquant qu’ANI-2 est un composant bona fide des anneaux de CG. Nous avons en outre montré que les anneaux de CG sont largement absents dans les animaux mutants pour ani-2, montrant que leur maintien repose sur l'activité d'ANI-2. Contrairement à cela, nous avons trouvé que la déplétion d’ANI-1 a augmenté à la fois le diamètre des anneaux de CG et la largeur du rachis. Fait intéressant, la déplétion d’ANI-1 dans les mutants d’ani-2 a sauvé les défauts d'anneaux de CG des gonades déficientes en ani-2, ce qui suggère que l'architecture syncytiale de la lignée germinale de C. elegans repose sur un équilibre de l'activité de ces deux protéines Anilline. En outre, nous avons montré que lors de leur entrée à l'âge adulte, les mutants ani-2 présentent de sévères défauts de multinucléation des CGs qui découlent de l'effondrement des membranes de séparation des CGs individuelles. Cette multinucléation a coïncidé avec le début de la diffusion cytoplasmique, dont le blocage réduit la multinucléation des gonades mutantes pour ani-2, suggérant que les anneaux de CG résistent au stress mécanique associé au processus de diffusion cytoplasmique. En accord avec cela, nous avons trouvé aussi que la gonade peut soutenir la déformation élastique en réponse au stress mécanique et que cette propriété repose sur la malléabilité des anneaux de CGs. Dans une étude séparée afin de comprendre le mécanisme de formation du syncytium, nous avons suivi la dynamique de division de la cellule précurseur de la lignée germinale, P4 en deux CGP dans l’embryon de C. elegans. Nous avons démontré que les CGPs commencent la cytocinèse de manière similaire aux cellules somatiques, en formant un sillon de clivage, qui migre correctement et transforme ainsi l'anneau contractile en anneau de « midbody ring » (MBR), une structure qui relie de manière transitoire les cellules en division. Malgré cela, les CGPs, contrairement à leurs homologues somatiques, ne parviennent pas à accomplir la dernière étape de la cytocinèse, qui est la libération abscission-dépendante du MBR. Au lieu de cela, le MBR persiste à la frontière entre les CGPs en division et subit une réorganisation et une maturation pour se transformer finalement en structures en forme d'anneau qui relient les cellules en division. Nous montrons en outre que les composants du MB/MBR; UNC-59Septin, CYK-7, ZEN-4Mklp1, RHO-1RhoA sont localisés à des anneaux de CG au long du développement de la lignée germinale du stade L1 à l'âge adulte, ce qui suggère que les anneaux de CG sont dérivés des MBR. Bien qu'il reste encore beaucoup à faire pour comprendre pleinement le mécanisme précis de la formation du syncytium, le maintien, ainsi que la fonction du syncytium, nos résultats appuient un modèle dans lequel la stabilisation du MBR et la cytocinèse incomplète pourraient être une option conservée dans l’évolution pour la formation du syncytium. En outre, notre travail démontre que les régulateurs de la contractilité peuvent jouer un rôle dans la maturation et l’élasticité de l'anneau de CG au cours du développement de la lignée germinale, fournissant un ajout précieux pour une plus ample compréhension de la syncytiogenèse et de sa fonction.

Effect of aluminium on migratory and invasive properties of MCF-7 human breast cancer cells in culture

Aluminium (Al) has been measured in human breast tissue, nipple aspirate fluid and breast cyst fluid, and recent studies have shown that at tissue concentrations, aluminium can induce DNA damage and suspension growth in human breast epithelial cells. This paper demonstrates for the first time that exposure to aluminium can also increase migratory and invasive properties of MCF-7 human breast cancer cells. Long-term (32 weeks) but not short-term (1 week) exposure of MCF-7 cells to 10-4M aluminium chloride or 10-4M aluminium chlorohydrate increased motility of the cells as measured by live cell imaging (cumulative length moved by individual cells), by a wound healing assay and by migration in real time through 8m pores of a membrane using xCELLigence technology. Long-term exposure (37weeks) to 10-4M aluminium chloride or 10-4M aluminium chlorohydrate also increased the ability of MCF-7 cells to invade through a matrigel layer as measured in real time using the xCELLigence system. Although molecular mechanisms remain to be characterized, the ability of aluminium salts to increase migratory and invasive properties of MCF-7 cells suggests that the presence of aluminium in the human breast could influence metastatic processes. This is important because mortality from breast cancer arises mainly from tumour spread rather than from the presence of a primary tumour in the breast.

Dynamics of small interfering RNA - FRET based integrity measurements of siRNA in the cuvette & inside cells

RNAi ist ein bedeutendes Werkzeug zur Funktionsanalyse von Genen und hat großes Potential für den Einsatz in der Therapie. Obwohl effiziente Knockdowns in der Zellkultur erzielt werden, erweist sich eine in vivo Anwendung als schwierig. Die großen Hürden sind dabei der Transport der siRNA ins Zielgewebe und deren voranschreitende Degradierung.rnMarkierte siRNA kann sowohl zur eigenen Integritätsmessung als auch zur Lokalisierung verwendet werden. Zwei Farbstoffe an den jeweiligen 3’- bzw. -5’-Enden des Sense- bzw. Antisense-Stranges erzeugen ein robustes FRET-System (Hirsch et al. 2012). Das Verhältnis von FRET- zu Donor-Signal, das R/G-Ratio, dient zur sensitiven Klassifizierung des Integritätslevels einer siRNA Probe (Järve et al. 2007; Hirsch et al. 2011; Kim et al. 2010). Mit diesem System kann eine Degradierung von weniger als 5 % in der Küvette und in Zellen nachgewiesen werden.rnDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Evaluierung von potentiellen FRET Farbstoffpaaren hinsichtlich deren Eignung für in vitro und in vivo Anwendung. Verschiedenste FRET-Paare, die das gesamte sichtbare Spektrum abdecken, wurden evaluiert und ermöglichen nun die Auswahl eines geeigneten Paares für die jeweilige Anwendung oder Kombination mit anderen Farbstoffen.rnMit Hilfe von Alexa555/Atto647N siRNA wurde ein erfolgreicher Einschluss von siRNA in Liposomen beobachtet. Eine anschließende Evaluierung der RNase-Protektion ergab für Liposomen, Nanohydrogele und kationische Peptide hervorragende protektive Eigenschaften. Basierend auf den Ergebnisse können diese und andere Transportsysteme nun für eine zelluläre Aufnahme optimiert werden.rnAtto488/Atto590 zeigte die besten Eigenschaften für Echtzeit-Integritätsmessungen in der Lebendzellmikroskopie. Verringerte Bleicheigenschaften und minimaler spektraler “Cross-Talk” ermöglichten es, transfizierte Zellen über einen Zeitraum von bis zu 8 Stunden zu beobachten. Mittels Atto488/Atto590 siRNA wurde die Einschleusung und Freisetzung in Zellen in Echtzeit untersucht. Dabei konnten Freisetzung und Verteilung in einzelnen Zellen beobachtet und analysiert werden. rnAuf eine anfängliche Phase mit hoher Freisetzungsrate folgte eine Phase mit geringerer Rate für den restlichen Beobachtungszeitraum. Die durchschnittliche Verweildauer im Zytosol betrug 24 und 58 Minuten, wobei zwischen lang- und kurzanhaltenden Ereignissen unterschieden werden konnte. Obwohl ein Import von siRNA in den Zellkern beobachtet wurde, konnte kein Schema bzw. genauer Zeitpunkt, in Bezug auf den Transfektionszeitraum für diese Ereignisse bestimmt werden. Die beobachteten Freisetzungsprozesse fanden sporadisch statt und Änderungen in der zellulären Verteilung geschahen innerhalb von wenigen Minuten. Einmal freigesetzte siRNA verschwand mit der Zeit wieder aus dem Zytosol und es blieben nur kleine Aggregate von siRNA mit immer noch geringer Integrität zurück.rn

Leishmania major promastigote entry of an autophagy-like compartment and amastigote escape from the parasitophorous vacuole

In this thesis, we investigated the interaction of the obligate intracellular parasite Leishmania (L.) major with two phenotypes of human monocyte derived macrophages (hMDMs). Thereby we focused on the development and maturation of the parasitophorous vacuole (PV) and could show that compartment development is dependent on the parasite stage.rnFocusing on the ultrastructure of PVs containing axenic amastigotes, we demonstrated that the parasites are partially located in damaged PVs or in the cytoplasm of the host. Moreover, we visualized multiple amastigotes in a common PV 144 h p.i. in pro-inflammatory hMDM I but not in anti-inflammatory hMDM II indicating different PV development. rnRegarding the promastigote form, we demonstrated a different uptake of viable and apoptotic L. major promastigotes by hMDMs. Viable promastigotes are predominantly taken up via the flagellum tip whereas apoptotic promastigotes enter the cells via the parasite body. Analyzing compartment maturation, we found that 20-30% of the PVs get positive for the early maturation markers PI3P and EEA1 independent of the viability of the parasites and unaffected by the human macrophage type. Subsequently, 25-40% of the parasites acquire the autophagy marker LC3 on their PV, what is independent of the viability of the parasites as well. We quantified this and in hMDM II less LC3-positive compartments formed compared to hMDM I. Analyzing the ultrastructure, we investigated that the compartments consist of a single-membrane PV characteristic for LC3-associated phagocytosis (LAP). Involvement of LAP was confirmed by demonstrating that the protein kinase ULK1 is dispensable for LC3-compartment formation around Leishmania PVs. Visualizing compartment dynamics in real time showed that apoptotic promastigotes are degraded in LC3-positve compartments, whereas viable promastigotes are able to get rid of LC3-protein on their PV suggesting an involvement in parasite development and survival. In this thesis, we established a lentiviral based fluorescent imaging technique that we combined with High-Pressure-Freezing (HPF) and high-resolution 3D electron microscopy. We visualized a promastigote in a LC3-compartment whose ultrastructure showed an opening of the PV to the outside. To identify new LAP markers involved in Leishmania infection, we established an immuno-magnetic isolation protocol for the purification of Leishmania containing compartments.rnIn conclusion, this study suggests that L. major compartment biogenesis and maturation in pro- and anti-inflammatory human macrophages is dependent on the parasite stage and is different between axenic amastigotes, viable promastigotes and apoptotic promastigotes. Understanding the development and maturation of Leishmania parasites in human host cells is important to control and combat the neglected disease leishmaniasis in the future.rn

Signalling mechanisms affecting regulated neurotrophin secretion in hippocampal neurons

Die Neurotrophine aus Säugetiere BDNF und NT-3 sind von Neuronen sekretierte Wachstumsfaktoren. Ferner sind Neurotrophine in verschiedene Formen der aktivitätsabhängigen synaptische Plastizität involviert. Obwohl die Ausschüttung von Neurotrophine aus Synapsen beschrieben worden ist, sind die intrazellulären Signalkaskaden, die die synaptische Ausschüttung von Neurotrophine regulieren, bei weitem nicht verstanden. Deswegen ist die Analyse der Sekretion von Neurotrophine auf subzellulärer Ebene erforderlich, um die genaue Rolle von präsynaptische und postsynaptische NT-Sekretion in der synaptischen Plastizität aufzudecken. In der vorliegenden Arbeit wurden die Kulturen von dissoziierten hippocampalen Neuronen aus Ratten mit grün fluoreszierenden Protein-markierten Konstrukten von BDNF und NT-3 transfiziert und Neurotrophine-enthaltenden Vesikeln durch die Colokalisierung mit dem cotransfizierten postsynaptischen Marker PSD-95-DsRed an glutamatergen Synapsen identifiziert. Depolarisationsinduzierte Sekretion von BDNF und NT-3 wurde per Direktaufnahme am Fluoreszenzmikroskop beobachtet. Die unvermittelte postsynaptische Depolarisation mit erhöhtem Kalium, in Gegenwart von Inhibitoren der synaptischen Transmission, erlaubte die Untersuchung der Signalwege, die am postsynaptischen Sekretionsprozess der Neurotrophinvesikel beteiligt sind. Es konnte gezeigt werden, dass die depolarisationsinduzierte postsynaptische Ausschüttung der Neurotrophine durch Calcium-Einstrom ausgelöst wird, entweder über L-Typ-spannungsabhängige Calcium-Kanäle oder über NMDA-Rezeptoren. Eine anschließende Freisetzung von Calcium aus intrazellulären Speichern über Ryanodin-Rezeptoren ist für den Sekretionsprozess erforderlich. Die postsynaptische Neurotrophinausschüttung wird durch KN-62 und KN-93 gehemmt, was auf eine unmittelbare Abhängigkeit von aktiver alpha-Calcium-Calmodulin-abhängige Proteinkinase II (CaMKII) hinweist. Der Inhibitor der cAMP/Proteinkinase A (PKA), Rp-cAMP-S, sowie der NO-Donor, SNP, minderten die Neurotrophinausschüttung. Hingegen blieben die Erhöhung des intrazellulären cAMP und der NO-Synthase-Inhibitor L-NMMA ohne Wirkung. Mit dem Trk-Inhibitor K252a konnte gezeigt werden, dass autokrine Neurotrophin-induzierte Neurotrophinausschüttung nicht an der synaptischen Freisetzung der Neurotrophine beiträgt und, dass BDNF seine eigene postsynaptische Sekretion nicht auslöst. Freisetzungsexperimente mit dem Fluoreszenz-Quencher Bromphenolblau konnten den Nachweis erbringen, dass asynchrone und anhaltende Fusionsporenöffnung von Neurotrophinvesikeln während der Sekretion stattfindet. Wegen der im Vergleich zum komplexen Sekretionsprozess schnellen Fusionsporenöffnung, scheint die Freisetzungsgeschwindigkeit von Neurotrophine durch ihre Diffusion aus dem Vesikel begrenzt. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse eine starke Abhängigkeit der aktivitätsabhängigen postsynaptischen Neurotrophinausschüttung vom Calcium-Einstrom, von der Freisetzung von Calcium aus internen Speichern, von der Aktivierung der CaMKII und einem intakten Funktion der PKA, während der Trk-Signalweg, die Aktivierung von Natrium-Kanäle und NO-Signale nicht erforderlich sind.

Heavy metal cations permeate the TRPV6 epithelial cation channel

TRPV6 belongs to the vanilloid family of the transient receptor potential channel (TRP) superfamily. This calcium-selective channel is highly expressed in the duodenum and the placenta, being responsible for calcium absorption in the body and fetus. Previous observations have suggested that TRPV6 is not only permeable to calcium but also to other divalent cations in epithelial tissues. In this study, we tested whether TRPV6 is indeed also permeable to cations such as zinc and cadmium. We found that the basal intracellular calcium concentration was higher in HEK293 cells transfected with hTRPV6 than in non-transfected cells, and that this difference almost disappeared in nominally calcium-free solution. Live cell imaging experiments with Fura-2 and NewPort Green DCF showed that overexpression of human TRPV6 increased the permeability for Ca(2+), Ba(2+), Sr(2+), Mn(2+), Zn(2+), Cd(2+), and interestingly also for La(3+) and Gd(3+). These results were confirmed using the patch clamp technique. (45)Ca uptake experiments showed that cadmium, lanthanum and gadolinium were also highly efficient inhibitors of TRPV6-mediated calcium influx at higher micromolar concentrations. Our results suggest that TRPV6 is not only involved in calcium transport but also in the transport of other divalent cations, including heavy metal ions, which may have toxicological implications.