Identification of Drosophila heart-specific Cis-Regulatory Modules under Hox control

Cardiac morphogenesis is a complex process governed by evolutionarily conserved transcription factors and signaling molecules. The Drosophila cardiac tube is linear, made of 52 pairs of cardiomyocytes (CMs), which express specific transcription factor genes that have human homologues implicated in Congenital Heart Diseases (CHDs) (NKX2-5, GATA4 and TBX5). The Drosophila cardiac tube is linear and composed of a rostral portion named aorta and a caudal one called heart, distinguished by morphological and functional differences controlled by Hox genes, key regulators of axial patterning. Overexpression and inactivation of the Hox gene abdominal-A (abd-A), which is expressed exclusively in the heart, revealed that abd-A controls heart identity. The aim of our work is to isolate the heart-specific cisregulatory sequences of abd-A direct target genes, the realizator genes granting heart identity. In each segment of the heart, four pairs of cardiomyocytes (CMs) express tinman (tin), homologous to NKX2-5, and acquire strong contractile and automatic rhythmic activities. By tyramide amplified FISH, we found that seven genes, encoding ion channels, pumps or transporters, are specifically expressed in the Tin-CMs of the heart. We initially used online available tools to identify their heart-specific cisregutatory modules by looking for Conserved Non-coding Sequences containing clusters of binding sites for various cardiac transcription factors, including Hox proteins. Based on these data we generated several reporter gene constructs and transgenic embryos, but none of them showed reporter gene expression in the heart. In order to identify additional abd-A target genes, we performed microarray experiments comparing the transcriptomes of aorta versus heart and identified 144 genes overexpressed in the heart. In order to find the heart-specific cis-regulatory regions of these target genes we developed a new bioinformatic approach where prediction is based on pattern matching and ordered statistics. We first retrieved Conserved Noncoding Sequences from the alignment between the D.melanogaster and D.pseudobscura genomes. We scored for combinations of conserved occurrences of ABD-A, ABD-B, TIN, PNR, dMEF2, MADS box, T-box and E-box sites and we ranked these results based on two independent strategies. On one hand we ranked the putative cis-regulatory sequences according to best scored ABD-A biding sites, on the other hand we scored according to conservation of binding sites. We integrated and ranked again the two lists obtained independently to produce a final rank. We generated nGFP reporter construct flies for in vivo validation. We identified three 1kblong heart-specific enhancers. By in vivo and in vitro experiments we are determining whether they are direct abd-A targets, demonstrating the role of a Hox gene in the realization of heart identity. The identified abd-A direct target genes may be targets also of the NKX2-5, GATA4 and/or TBX5 homologues tin, pannier and Doc genes, respectively. The identification of sequences coregulated by a Hox protein and the homologues of transcription factors causing CHDs, will provide a mean to test whether these factors function as Hox cofactors granting cardiac specificity to Hox proteins, increasing our knowledge on the molecular mechanisms underlying CHDs. Finally, it may be investigated whether these Hox targets are involved in CHDs.

Synthesis, multiscale-multiphase characterization and applications of thiophene-based biohybrids

Biohybrid derivatives of π-conjugated materials are emerging as powerful tools to study biological events through the (opto)electronic variations of the π-conjugated moieties, as well as to direct and govern the self-assembly properties of the organic materials through the organization principles of the bio component. So far, very few examples of thiophene-based biohybrids have been reported. The aim of this Ph. D thesis has been the development of oligothiophene-oligonucleotide hybrid derivatives as tools, on one side, to detect DNA hybridisation events and, on the other, as model compounds to investigate thiophene-nucleobase interactions in the solid state. To obtain oligothiophene bioconjugates with the required high level of purity, we first developed new synthetic ecofriendly protocols for the synthesis of thiophene oligomers. Our innovative heterogeneous Suzuki coupling methodology, carried out in EtOH/water or isopropanol under microwave irradiation, allowed us to obtain alkyl substituted oligothiophenes and thiophene based co-oligomers in high yields and very short reaction times, free from residual metals and with improved film forming properties. These methodologies were subsequently applied in the synthesis of oligothiophene-oligonucleotide conjugates. Oligothiophene-5-labeled deoxyuridines were synthesized and incorporated into 19-meric oligonucletide sequences. We showed that the oligothiophene-labeled oligonucletide sequences obtained can be used as probes to detect a single nucleotide polymorphism (SNP) in complementary DNA target sequences. In fact, all the probes showed marked variations in emission intensity upon hybridization with a complementary target sequence. The observed variations in emitted light were comparable or even superior to those reported in similar studies, showing that the biohybrids can potentially be useful to develop biosensors for the detection of DNA mismatches. Finally, water-soluble, photoluminescent and electroactive dinucleotide-hybrid derivatives of quaterthiophene and quinquethiophene were synthesized. By means of a combination of spectroscopy and microscopy techniques, electrical characterizations, microfluidic measurements and theoretical calculations, we were able to demonstrate that the self-assembly modalities of the biohybrids in thin films are driven by the interplay of intra and intermolecular interactions in which the π-stacking between the oligothiophene and nucleotide bases plays a major role.

Salt stress responses in pear and quince: physiological and molecular aspects

The productivity of agricultural crops is seriously limited by salinity. This problem is rapidly increasing, particularly in irrigated lands. Like almost all the fruit tree species, Pyrus communis is generally considered a salt sensitive species, but only little information is available on its behavior under saline conditions. Previous studies, carried out in the Department of Fruit Tree and Woody Plant Science (University of Bologna), focused their attention on pear and quince salt stress responses to understand which rootstock would be the most suitable for pear in order to tolerate a salt stress condition. It has been reported that pear and quince have different ability in the uptake, translocation and accumulation of chloride (Cl-) and sodium (Na+) ions, when plants were irrigated for one season with saline water (5 dS/m). The aim of the present work was to deepen these aspects and investigate salt stress responses in pear and quince. Two different experiments have been performed: a “short-term” trial in a growth chamber and a “long-term” experiment in the open field. In the short-term experiment, three different genotypes usually adopted as pear rootstocks (MC, BA29 and Farold®40) and the pear variety Abbé Fétel own rooted have been compared under salt stress conditions. The trial was performed in a hydroponic culture system, applying a 90 mM NaCl stress to half of the plants, after five weeks of normal growth in Hoagland’s solution. During the three-weeks of salt stress treatment, physiological, mineral and molecular analyses were performed in order to monitor, for each genotype, the development of the salt stress responses in comparison with the corresponding “unstressed” plants. Farold®40 and Abbé Fétel own rooted showed the onset of leaf necrosis, due to salt toxicity, one week before quinces. Moreover, quinces displayed a significant delay in premature senescence of old leaves, while pears emerged for their ability to regenerate new leaves from apparently dead foliage with the salt stress still running. Physiological measurements, such as shoots length, chlorophyll (Chl) content, and photosynthesis, have been carried out and revealed that pears exhibited a significant reduction in water content and a wilting aspect, while for quinces a decrease in Chl content and a growth slowdown were observed. At the end of the trial, all plants were collected and organs separated for dry weight estimation and mineral analyses (Cu, Fe, Mn, Zn Mg, Ca, K, Na and Cl). Mineral contents have been affected by salinity; same macro/micro nutrients were altered in some organs or relocated within the plant. This plant response could have partially contributed to face the salt stress. Leaves and roots have been harvested for molecular analyses at four different times during stress conditions. Molecular analyses consisted of the gene expression study of three main ion transporters, well known in Arabidopsis thaliana as salt-tolerance determinants in the “SOS” pathway: NHX1 (tonoplast Na+/H+ antiporter), SOS1 (plasmalemma Na+/H+ antiporter) and HKT1 (K+ high-affinity and Na+ low-affinity transporter). These studies showed that two quince rootstocks adopted different responsive mechanisms to NaCl stress. BA29 increased its Na+ sequestration activity into leaf vacuoles, while MC enhanced temporarily the same ability, but in roots. Farold®40, instead, exhibited increases in SOS1 and HKT1 expression mainly at leaf level in the attempt to retrieve Na+ from xylem, while Abbé Fétel differently altered the expression of these genes in roots. Finally, each genotype showed a peculiar response to salt stress that was the sum of its ability in Na+ exclusion, osmotic tolerance and tissue tolerance. In the long-term experiment, potted trees of the pear variety Abbé Fétel grafted on different rootstocks (MC, BA29 and Farold®40), or own rooted and also rootstocks only were subjected to a salt stress through saline water irrigation with an electrical conductivity of 5 dS/m for two years. The purposes of this study were to evaluate salinity effects on physiological (shoot length, number of buds, photosynthesis, etc.) and yield parameters of cultivar Abbé Fétel in the different combinations and to determine the salt amount that pear is able to tolerate over the years. With this work, we confirmed the previous hypothesis that pear, despite being classified as a salt-sensitive fruit tree, can be cultivated for two years under saline water irrigation, without showing any salt toxicity symptoms or severe drawbacks on plant development and production. Among different combinations, Abbé Fétel grafted on MC resulted interesting for its peculiar behaviors under salt stress conditions. In the near future, further investigations on physiological and molecular aspects will be necessary to enrich and broaden the knowledge of salt stress responses in pear.

Detection and localization of GLUTs in spermatozoa from different domestic species

Sperm cells need hexoses as a substrate for their function, for both the maintenance of membrane homeostasis and the movement of the tail. These cells have a peculiar metabolism that has not yet been fully understood, but it is clear that they obtain energy from hexoses through glycolisis and/or oxidative phosphorylation. Spermatozoa are in contact with different external environments, beginning from the testicular and epididymal fluid, passing to the seminal plasma and finally to the female genital tract fluids; in addition, with the spread of reproductive biotechnologies, sperm cells are diluted and stored in various media, containing different energetic substrates. To utilize these energetic sources, sperm cells, as other eukaryotic cells, have a well-constructed protein system, that is mainly represented by the GLUT family proteins. These transporters have a membrane-spanning α-helix structure and work as an enzymatic pump that permit a fast gradient dependent passage of sugar molecules through the lipidic bilayer of sperm membrane. Many GLUTs have been studied in man, bull and rat spermatozoa; the presence of some GLUTs has been also demonstrated in boar and dog spermatozoa. The aims of the present study were - to determine the presence of GLUTs 1, 2, 3, 4 and 5 in boar, horse, dog and donkey spermatozoa and to describe their localization; - to study eventual changes in GLUTs location after capacitation and acrosome reaction in boar, stallion and dog spermatozoa; - to determine possible changes in GLUTs localization after capacitation induced by insulin and IGF stimulation in boar spermatozoa; - to evaluate changes in GLUTs localization after flow-cytometric sex sorting in boar sperm cells. GLUTs 1, 2, 3 and 5 presence and localization have been demonstrated in boar, stallion, dog and donkey spermatozoa by western blotting and immunofluorescence analysis; a relocation in GLUTs after capacitation has been observed only in dog sperm cells, while no changes have been observed in the other species examined. As for boar, the stimulation of the capacitation with insulin and IGF didn’t cause any change in GLUTs localization, as well as for the flow cytometric sorting procedure. In conclusion, this study confirms the presence of GLUTs 1, 2 ,3 and 5 in boar, dog, stallion and donkey spermatozoa, while GLUT 4 seems to be absent, as a confirmation of other studies. Only in dog sperm cells capacitating conditions induce a change in GLUTs distribution, even if the physiological role of these changes should be deepened.

Supramolecular functional assemblies with photo or chemical addressability

Supramolecular self-assembly represents a key technology for the spontaneous construction of nanoarchitectures and for the fabrication of materials with enhanced physical and chemical properties. In addition, a significant asset of supramolecular self-assemblies rests on their reversible formation, thanks to the kinetic lability of their non-covalent interactions. This dynamic nature can be exploited for the development of “self-healing” and “smart” materials towards the tuning of their functional properties upon various external factors. One particular intriguing objective in the field is to reach a high level of control over the shape and size of the supramolecular architectures, in order to produce well-defined functional nanostructures by rational design. In this direction, many investigations have been pursued toward the construction of self-assembled objects from numerous low-molecular weight scaffolds, for instance by exploiting multiple directional hydrogen-bonding interactions. In particular, nucleobases have been used as supramolecular synthons as a result of their efficiency to code for non-covalent interaction motifs. Among nucleobases, guanine represents the most versatile one, because of its different H-bond donor and acceptor sites which display self-complementary patterns of interactions. Interestingly, and depending on the environmental conditions, guanosine derivatives can form various types of structures. Most of the supramolecular architectures reported in this Thesis from guanosine derivatives require the presence of a cation which stabilizes, via dipole-ion interactions, the macrocyclic G-quartet that can, in turn, stack in columnar G-quadruplex arrangements. In addition, in absence of cations, guanosine can polymerize via hydrogen bonding to give a variety of supramolecular networks including linear ribbons. This complex supramolecular behavior confers to the guanine-guanine interactions their upper interest among all the homonucleobases studied. They have been subjected to intense investigations in various areas ranging from structural biology and medicinal chemistry – guanine-rich sequences are abundant in telomeric ends of chromosomes and promoter regions of DNA, and are capable of forming G-quartet based structures– to material science and nanotechnology. This Thesis, organized into five Chapters, describes mainly some recent advances in the form and function provided by self-assembly of guanine based systems. More generally, Chapter 4 will focus on the construction of supramolecular self-assemblies whose self-assembling process and self-assembled architectures can be controlled by light as external stimulus. Chapter 1 will describe some of the many recent studies of G-quartets in the general area of nanoscience. Natural G- quadruplexes can be useful motifs to build new structures and biomaterials such as self-assembled nanomachines, biosensors, therapeutic aptamer and catalysts. In Chapters 2-4 it is pointed out the core concept held in this PhD Thesis, i.e. the supramolecular organization of lipophilic guanosine derivatives with photo or chemical addressability. Chapter 2 will mainly focus on the use of cation-templated guanosine derivatives as a potential scaffold for designing functional materials with tailored physical properties, showing a new way to control the bottom-up realization of well-defined nanoarchitectures. In section 2.6.7, the self-assembly properties of compound 28a may be considered an example of open-shell moieties ordered by a supramolecular guanosine architecture showing a new (magnetic) property. Chapter 3 will report on ribbon-like structures, supramolecular architectures formed by guanosine derivatives that may be of interest for the fabrication of molecular nanowires within the framework of future molecular electronic applications. In section 3.4 we investigate the supramolecular polymerizations of derivatives dG 1 and G 30 by light scattering technique and TEM experiments. The obtained data reveal the presence of several levels of organization due to the hierarchical self-assembly of the guanosine units in ribbons that in turn aggregate in fibrillar or lamellar soft structures. The elucidation of these structures furnishes an explanation to the physical behaviour of guanosine units which display organogelator properties. Chapter 4 will describe photoresponsive self-assembling systems. Numerous research examples have demonstrated that the use of photochromic molecules in supramolecular self-assemblies is the most reasonable method to noninvasively manipulate their degree of aggregation and supramolecular architectures. In section 4.4 we report on the photocontrolled self-assembly of modified guanosine nucleobase E-42: by the introduction of a photoactive moiety at C8 it is possible to operate a photocontrol over the self-assembly of the molecule, where the existence of G-quartets can be alternately switched on and off. In section 4.5 we focus on the use of cyclodextrins as photoresponsive host-guest assemblies: αCD–azobenzene conjugates 47-48 (section 4.5.3) are synthesized in order to obtain a photoresponsive system exhibiting a fine photocontrollable degree of aggregation and self-assembled architecture. Finally, Chapter 5 contains the experimental protocols used for the research described in Chapters 2-4.

Modulation der Immunogenität von humanen Nierenzellkarzinomzellen durch stabilen TAP1-Gentransfer

Bei Nierenzellkarzinomen (NZK), wie auch bei vielen anderen Tumoren konnte eine reduzierte Expression der Klasse I Haupthistokompatibilitäts-Komplexe (MHC Klasse I) nachgewiesen werden, die assoziiert sein kann mit der gestörten Expression oder Funktion von Komponenten der Antigenprozessierung. Eine verminderte Erkennung solcher Tumore durch zytotoxische T-Lymphozyten und ein Zusammenhang mit einem Fortschreiten der Erkrankung führte zu der Annahme, daß es sich bei diesen Störungen um "immune escape"-Mechanismen handelt. Um die Bedeutung des heterodimeren Peptidtransporters TAP ("transporter associated with antigen processing") für die Immunogenität von Nierenzellkarzinomen zu untersuchen, wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals der stabile Gentransfer des humanen TAP1A-Gens in Nierenzellkarzinom-Zellen erfolgreich durchgeführt.
Dies konnte durch die Optimierung der Transfektionsmethode und des verwendeten Plasmid-Vektors erreicht werden. Die Transfektionen wurden mit Hilfe der Rechteck-Impuls-Elektroporation unter spezifischen, in der Arbeit etablierten Bedingungen durchgeführt. Der CMV-regulierte TAP-Expressions-Vektor wurde dahingehend verbessert, daß durch die Einführung einer IRES ("internal ribosomal entry site") Sequenz eine bicistronische m-RNS transkribiert wird, die sowohl das TAP1-Transgen als auch den Neomycin-Selektionsmarker enthält.
Es konnte nach klonaler Selektion eine stabile, aber unter den sieben getesteten Klonen heterogene Transkription der transgenen TAP1-mRNS nachgewiesen werden. In der Protein-Expression zeigten 5/7 der TAP1A-positive Klone eine mindestens zweifache Induktion der TAP1-Expression. In 2/7 dieser TAP1A-positive Klone war die TAP1-Überexpression mit einer Erhöhung der MHC Klasse I-Expression und selektiver Induktion des HLA-A2-Moleküls in der Durchflußzytometrie verbunden. Eine Quantifizierung des Peptidtransportes ergab je nach verwendetem Modellpeptid eine geringe oder gar keine Erhöhung der Transportrate in den TAP1-Transfektanden gegenüber Kontrollzellen. Ebenfalls konnte in Zytotoxizitäts-Analysen mit einer autologen T-Zellinie eine Erhöhung der spezifischen Lyse nicht gezeigt werden. Jedoch wurden im Zellkultur-Überstand dieser Zytotoxizitäts-Analysen bei einigen TAP1A-positive Transfektanden gegenüber mock transfizierten-Kontrollzellen deutlich erhöhte Werte des Tumornekrose-Faktor-alpha (TNF-alpha) gemessen, was als Maß einer T-Zell-Aktivierung gilt. Diese Ergebnisse sind konsistent mit einer ebenfalls deutlich gesteigerten T-Zell-Proliferation in Anwesenheit von TAP1A-positive Transfektanden.
Die alleinige stabile Überexpression von TAP1 in Nierenzellkarzinomzellen kann somit zu einer Modulation der MHC Klasse I-Expression und der T-Zell-Reaktivität führen. Das weist darauf hin, daß eine starke, konstitutive TAP1-Expression eine grundlegende Voraussetzung für eine effiziente Antigenprozessierung und Immunantwort darstellt und die Immuntoleranz gegenüber NZK durch stabilen TAP1-Gentransfer beinflußbar ist. Eine denkbare klinische Anwendung dieser Technik ist die Herstellung einer Tumorantigen-präsentierenden Zellvakzine, die eine T-Zell-Anergie gegenüber NZK durchbrechen könnte.
Schlüsselwörter: TAP, MHC, Antigenprozessierung, Tumorimmunologie, Gentransfer

Die molekulare Evolution der Hämocyaninsuperfamilie der Arthropoden

In vielen Arthropoden wird Sauerstoff mittels des Kupferproteins Hämocyanin transportiert. In der vorliegenden Arbeit wurde das Hämocyanin einiger Vertreter der Arthropoden molekularbiologisch untersucht. Bei den Crustaceen (Homarus americanus und Palinurus elephas) konnten vier Untereinheiten isoliert werden, bei denen es sich um Hämocyanine des a-Typs handelt. Bei den Myriapoden (Chilopoda, Scutigera coleoptrata und Diplopoda, Spirostreptus spec.) konnten drei unterschiedliche Hämocyaninuntereinheiten gefunden werden. Erst seit einiger Zeit ist das Hämocyanin bei Myriapoden biochemisch charakterisiert und bei diesen Hämocyaninsequenzen handelt es sich um die ersten von Myriapoden. Bei den Onychophoren (Epiperipatus spec.) konnte ebenfalls erstmals ein Hämocyanin isoliert und sequenziert werden. Hierbei handelt es sich um den ersten Hinweis, dass Onychophoren über ein respiratorisches Protein verfügen. In einer phylogenetischen Analyse der Hämocyaninsequenzen konnte ein Stammbaum der Hämocyaninsuperfamilie erstellt werden. Innerhalb der Crustacea ordnen sich die verschiedenen Hämocyaninuntereinheiten in distinkten Ästen an. Die Hämocyanine der Myriapoda sind monophyletisch, wobei die Auftrennung in distinkte Untereinheiten bereits vor der Trennung der Chilopoden und Diplopoden erfolgte; die phylogenetische Stellung der Myriapoda kann anhand der Hämocyaninsequenzen nicht zuverlässig aufgelöst werden. Eine gemeinsame Anordnung mit den Hexapoda ('Tracheata'-Hypothese) kann jedoch mit hoher Sicherheit ausgeschlossen werden. Die Onychophora stehen im Arthropodenstammbaum an basaler Position und können somit als Proarthropoda angesprochen werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Hämocyaninevolution der Arthropodenevolution entspricht.

Sustained-release formulations for compounds underlying intestinal drug efflux

ZusammenfassungDie Sekretion von Arzneistoffen aus Darmzellen zurück ins Darmlumen, die durch intestinale Transporter wie P-Glykoprotein (P-GP) vermittelt wird, stellt eine bekannte Quelle für unvollständige und variable Bioverfügbarkeiten und für Interaktionen mit anderen Arzneimitteln und Nahrungsbestandteilen dar. Dennoch liegen bisher keine Veröffentlichungen vor, die sich mit daraus resultierenden Konsequenzen für die Entwicklung neuer peroraler Darreichungsformen befassen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, deutlich zu machen, dass dem Auftreten von intestinalen Sekretionsphänomenen bei der Entwicklung von Retardarzneimitteln Rechnung getragen werden muss.Dazu wurden effektive Permeabilitäten für den Modellarzneistoff Talinolol in unterschiedlichen Darmabschnitten anhand eines Rattendarmperfusionsmodells bestimmt.Des weiteren wurde eine Retardformulierung für den Modellarzneistoff Talinolol entwickelt. Dabei wurde gezeigt, dass die Verwendung unterschiedlicher Puffer als Wirkstofffreisetzungmedien zur Ausbildung unterschiedlicher Talinolol-Kristallstrukturen führt.Die neu entwickelten Retardmatrixtabletten wurden mit Hilfe des Pharmakokinetik-Computersoftwareprogrammes Gastro Plus® evaluiert. Das Zusammenspiel von verlangsamter Wirkstofffreigabe aus der Arzneiform und intestinaler Sekretion führte zu einer deutlich verringerten Bioverfügbarkeit der Modellsubstanz Talinolol aus der Retardformulierung im Vergleich zu schnellfreisetzenden Arzneiformen.Daher sollte der Einfluß intestinaler sekretorischer Transporter wie P-GP bei der Entwicklung von Retardarzneiformen unbedingt berücksichtigt werden.

Design, Synthese und biologische Evaluierung von Pyrrolcarboxamiden mit Nucleobasen- oder tricyclischer Aromatenfunktion

Ausgehend von den Naturstoffen Netropsin und Distamycin A, antitumoraktiven Pyrrolcarboxamiden, die selektiv an AT-reiche Sequenzen in der kleinen Rinne (Minor-Groove) der DNA binden, sollten neue Nucleobasen- bzw. Interkalator-gekoppelte Derivate (letztere werden als „Combilexine“ bezeichnet) synthetisiert und biologisch evaluiert werden. Unter Zuhilfenahme quantenchemischer AM1-Rechnungen sollten Struktur-Wirkungs-Beziehungen abgeleitet werden. Als Grundgerüst diente die Mono- bzw. Bispyrrolcarboxamid-Einheit mit C-terminaler N,N-Dimethyl-1,3-diaminopropan-Seitenkette, die die ebenfalls basische Amidinstruktur der Leitsubstanzen imitieren sollte. Variationen erfolgten ausschließlich am N-terminalen Ende. Hierbei wurden zunächst Adenin-, Thymin- und Uracil-alkancarbonsäuren mit variabler Kettenlänge synthetisiert und über verschiedene Amidkupplungsverfahren an die Aminofunktion des Pyrrolcarboxamid-Grundgerüstes geknüpft. In Analogie hierzu folgte die Synthese von Combilexinen mit Acridon, (Nitro-)Naphthalimid und Iminostilben als Interkalatorkomponenten. Im 3. synthetischen Teil der Arbeit wurden Carbonsäure- und Sulfonylchloride des Interkalators Acridin und des Interkalators und Photosensibilisators Anthrachinon über die aliphatischen Linker ß-Alanin und -Aminobuttersäure an das Pyrrolcarboxamidgrundgerüst gebunden. Testungen von Verbindungen aller 3 Serien auf Zytotoxizität beim National Cancer Institute, USA, und DNA-Bindestudien und Topoisomerase-Hemmtests im Laboratory of Pharmacology, INSERM in Lille, Frankreich, schlossen sich an. Bei allen Verbindungen mit mindestens 3 Carboxamid-Funktionen zeigte sich gute bis ausgezeichnete DNA-Bindung; einige wiesen Topoisomerase II - Hemmung auf. Beide Parameter korrelierten allerdings nicht mit der Zytotoxizität, was vor allem an der mangelhaften Zellmembranpermeation einiger Verbindungen aufgrund zu geringer Lipophilie liegen dürfte. Quantenchemische Rechnungen ergaben ebenfalls wenige Gesetzmäßigkeiten. Ein elektronenarmer N-terminaler Rest (wie im Falle des hochpotenten Iminostilben-Derivates) scheint aber die Zytotoxizität einer Substanz ebenso wie zunehmende Linkerlänge zu begünstigen. Eine Ausnahme bilden hier die Anthrachinonderivate. Die drei zytotoxisch aktivsten Vertreter dieser Gruppe besitzen als Linker ß-Alanin, was eine aus der sonst bei Minor-Groove-Bindern üblichen Kurvature herausragende Konformation zur Folge hat. Diese ermöglicht vermutlich eine besonders gute Interaktion mit der DNA.

Synthese, Radioiodierung und Evaluierung von neuen MGMT-Inhibitoren und ihren Glucose-Konjugaten

Eine häufige Art der Chemotherapie ist die Behandlung von Tumoren mit alkylierenden oder chloralkylierenden Zytostatika, die eine Alkylierung von Guanin in der DNA verursachen. Daraus resultieren eine Blockierung der DNA-Synthese und ein Rückgang im Tumorwachstum. Das Enzym O6-Methylguanin-DNA-methyltransferase (MGMT) ist in der Lage, solche Schäden zu reparieren. Da MGMT auch in verschiedenen Tumorarten exprimiert wird, eine Tatsache, die therapeutische Effekte verringern könnte, wird zur Zeit die Gabe von Inhibitoren der MGMT, wie O6-Benzylguanin, vor der eigentlichen Chemotherapie untersucht. Um möglicher Weise die Selektivität dieser Verbindungen für Tumor- vs. gesundem Gewebe und auch die in vivo-Eigenschaften zu verbessern, wurden glycosylierte Inhibitoren vorgeschlagen. Für eine Entwicklung neuer MGMT-Inhibitoren wäre es hilfreich, die in vivo Bioverteilung in Tier und Mensch durch eine Markierung mit geeigneten Isotopen verfolgen zu können. Im Moment existiert keine Möglichkeit, den MGMT-Status eines Tumors nicht-invasiv zu visualisieren. Diese Information kann sehr wichtig für die Planung einer Chemotherapie mit alkylierenden oder chloralkylierenden Zytostatika sein. Mit Methoden wie der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder der Einzel-Photonen-Emissions-Tomographie (SPECT) ist eine nicht-invasive Quantifizierung von biochemischen Prozessen prinzipiell möglich. Hierfür wurden verschiedenen MGMT-Inhibitoren bereits mit Isotopen wie Fluor-18, Kohlenstoff-11 un Iod-131 markiert, aber sie waren aus unterschiedlichen Gründen nicht geeignet. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von neuen O6-derivatisierten Guaninen, die über einen C8-Spacer an der N9-Position des Guanins mit einer Glucose-Einheit konjugiert werden sollten, geeigneten Markierungsvorläufern und Radioiodierungs-Methoden. Durch Wahl eines geeigneten Radioiodisotops für die Markierung des Restes an der O6-Position des Guanins kann die ex vivo-Bioverteilung dieser Verbindungen in tumortragenden Nacktmäusen (Iod-131) und die Untersuchung der in vivo-Verteilung (Iod-123) durchgeführt werden. Daher wurden O6-(5-Iodothenyl)- (ITG) und O6-(3-Iodbenzyl)guanin-Derivate (IBG) sowie ihre Glucose-Konjugate ITGG und IBGG synthetisiert. Von diesen inaktiven Standard-Verbindungen wurden die IC50-Werte zur MGMT bestimmt. Da sie alle im nM-Bereich lagen, schienen die Verbindungen für weitere Untersuchungen geeignet zu sein. Die Radiomarkierung der Inhibitoren mit Iod-131 bzw. Iod-123 wurde durch Umsetzung der Trialkyl-stannylierten Markierungsvorläufer mit der Chloramin T-Methode in mittleren (Iod-123) bis hohen (Iod-131) radiochemischen Ausbeuten und mit hohen radiochemischen Reinheiten durchgeführt. Mit den 131I-iodierten Verbindungen wurde die spezifische Bindung zur MGMT nachgewiesen, eine Eigenschaft, die essentiell für eine weitere Verwendung dieser Derivate ist. Sie wurden auch zur Bestimmung der ex vivo-Tumor- und Organverteilung in tumortragenden Nacktmäusen (MEX(+), MEX(-), Glioblastom) verwendet. In allen Fällen war die Tumoraufnahme der nicht-konjugierten Guanin-Derivate höher als die der entsprechenden Glucose-Konjugate. Das Tumor-Blut-Verhältnis, das sehr wichtig für einen potentiellen Einsatz der Verbindungen als Tracer des MGMT-Status eines Tumors ist, variierte abhängig von der Kinetik. Zu allen Zeitpunkten war die in vivo-Deiodierung der Glucose-Konjugate deutlich geringer als die von ITG oder IBG. Unter Verwendung von [131I]IBG und [131I]IBGG wurde die Biodistribution nach Inhibition der Natrium-abhängigen Glucose-Transporter, die zumindests teilweise für die Aufnahme der MGMT-Inhibitoren in Zellen verantwortlich sind, durch Phloretin untersucht. Einen Unterschied in der Tumoraufnahme zwischen den mit Phloretin behandelten und den unbehandelten Mäusen konnte nicht beobachtet werden, wahrscheinlich weil die Akkumulation im Tumor generell niedrig war. Mit den 123I-iodierten Verbindungen [123I]IBG und [123I]IBGG wurden in vivo-Scans an tumortragenden Nacktmäusen (MEX(+), MEX(-)) mit einer Kleintier-SPECT-Kamera durchgeführt. In beiden Fällen wurde eine geringe Akkumulation in den Tumoren im Vergleich zu anderen Organen beobachtet, was die ex vivo-Biodistributionsdaten bestätigte.

Funktionelle und morphologische Untersuchungen der Silikataufnahme und Nadelbildung im marinen Schwamm Suberites domuncula

Die für Metazoen einzigartige Fähigkeit, hochdifferenzierte Silikatstrukturen herzustellen und als Gerüstsubstanz zu verwenden, steht bei den Porifera in einem scheinbaren Gegensatz zu der niedrigen Konzentration an Silizium in dem die Schwämme umgebenden Medium. In der zweiten bedeutenden silikatpolymerisierenden Species, den einzelligen Kieselalgen (Diatomeen), konnte bereits ein Silikattransporter identifiziert werden, dessen Sequenzdaten jedoch aufgrund der phylogenetisch geringen Verwandtschaft der Demospongien mit den Diatomeen keine Verwendung finden konnte Im Zuge der Suche nach einem Silikat-Transportsystem im Schwamm Suberites domuncula wurde ein potentielles Kandidatengen mittels molekularbiologischer Techniken aus einer cDNA Bank des Instituts isoliert, vervollständigt und analysiert. Es zeigte sich, dass dieser Transporter durch seine Sequenzdaten der Familie der Bikarbonattransporter angehörte, und somit membranständig war. Seine Transportfunktion zeigte sich mittels spezifischer Inhibitoren hemmbar. Damit der Schwamm in der Lage ist, eine regulierbare und schnelle Anreicherung von Silikat durchführen zu können, lag eine Annahme einer Induzierbarkeit der Transportergene durch das Substrat Silikat nahe. Mittels Northern-Blot Analyse konnte in einem Primmorphensystem des Schwammes eine Hochregulation der Transkription der Transportergene festgestellt werden. Die Lokalisation der Exprimierung des Transporters innerhalb des Schwammgewebes konnte mittels In situ Hybridisierung untersucht werden und zeigte eine direkte Nähe zu den Polysilikatstrukturen des Schwammes. Um Hinweise auf eine Bifunktionalität des Transporters aufgrund der Ähnlichkeit von Carbonat und Silikat zu erhärten, wurden fluoreszenzmikroskopische Studien an isolierten Zellkulturen des Schwammes durchgeführt. Es kam zu einer intensive Reaktion der Zellen auf Silikat als Substrat. Dieser Effekt konnte nicht nur durch einen spezifischen Transportinhibitor (DIDS) gehemmt werden, sondern zeigt auch eine deutliche Temperaturabhängigkeit. Um den potentiellen Silikattransporter in Zusammenhang mit dem Gesamtmechanismus der Silikatnadelherstellung in Schwämmen zu bringen, wurden zusätzliche elektronenmikroskopische Studien angestellt. Hier konnte zunächst gezeigt werden, wie sich das die Polykondensation auslösende und dirigierende Proteinfilament des Schwammes bei der Nadelbildung entwickelt. Mittels einer darauf folgenden Immunogold-Markierung des Hauptaxialfilamentproteins des Schwammes in elektronenmikroskopischen Gewebepräparaten, konnte dessen Vorkommen nicht nur im Zentrum der Silikatnadel, sondern auch in den die Nadel umgebenden Strukturen nachgewiesen werden

Substratversorgung von NO-Synthasen

Resultate dieser Arbeit zeigen, dass endotheliale und neuronale NO-Synthasen (eNOS und nNOS) ihr Substrat Arginin nicht ausschließlich aus extrazellulären, sondern auch aus intrazellulären Quellen beziehen. Das Substrat aus den intrazellulären Quellen scheint nicht über Membrantransporter in den Extrazellulärraum gelangen zu können. Dies deutet darauf hin, dass eine enge Assoziation der Arginin-bereitstellenden Enzyme mit eNOS bzw. nNOS vorliegen könnte. Dadurch würde das durch diese Enzyme generierte Arginin direkt an die NOS weitergereicht und nicht über Transporter gegen andere basische Aminosäuren (AS) im Extrazellulärraum ausgetauscht werden. Eine intrazelluläre Substrat-Quelle besteht aus dem so genannten „Recycling“, der Umwandlung des bei der NO-Synthese entstehenden Citrullins in Arginin. Eine Kopplung von Arginin-bereitstellenden „Recycling“-Enzymen mit NOS wird in Endothelzellen und teilweise auch in TGW-nu-I Neuroblastomzellen beobachtet, nicht jedoch in A673 Neuroepitheliomzellen. Die Kopplung scheint daher vom Zelltyp abhängig zu sein. Das zur Arginin-Regeneration benötigte Citrullin kann allen untersuchten Zellen durch den Austausch mit spezifischen neutralen AS, die ausschließlich zum Substratprofil des System N Transporters SN1 passen, entzogen werden. Die Anwesenheit von SN1-Substraten im Extrazellulärraum führt daher indirekt zu einer Depletion der Recycling-Quelle. SN1 mRNA ist in allen untersuchten Zellen nachweisbar. Aus Protein-Abbau stammendes Arginin stellt den zweiten Teil der intrazellulären Arginin-Quelle dar. Dieser ist in allen untersuchten eNOS- oder nNOS exprimierenden Zellen vorhanden. Das Arginin stammt dabei sowohl aus lysosomalem als auch proteasomalen Proteinabbau, wie der Einsatz spezifischer Inhibitoren zeigt. Extrazelluläres Histidin (aber keine andere Aminosäure) kann diese Arginin-Quelle depletieren. Wir vermuten deshalb, dass Histidin über den Peptid-Histidin-Transporter PHT1, der in allen untersuchten Zellen stark exprimiert ist, gegen die durch lysosomalen und proteasomalen Proteinabbau entstehenden Arginin-haltigen Di- und Tripeptide ausgetauscht wird. Der wichtigste endogene NOS-Inhibitor, asymmetrisches Dimethylarginin (ADMA), ein Marker für endotheliale Dysfunktion und Risikofaktor für kardiovaskuläre Erkrankungen, stammt ebenfalls aus Proteinabbau. Die Verfügbarkeit dieser intrazellulären Arginin-Quelle wird deshalb stark vom Methylierungsgrad des Arginins in den abgebauten Proteinen abhängen. Eine lokale ADMA-Anreicherung könnte eine Erklärung für das Arginin-Paradox sein, der unter pathophysiologischen Bedingungen beobachteten Verminderung der endothelialen NO-Synthese bei anscheinend ausreichenden intrazellulären Argininkonzentrationen. Da auch in neurodegenerativen Erkrankungen, wie Morbus Alzheimer, ADMA eine Rolle zu spielen scheint, könnte das Arginin-Paradox auch für die nNOS-vermittelte NO-Synthese von Bedeutung sein. Die Resultate demonstrieren, dass die Substratversorgung der beiden NOS-Isoformen nicht ausschließlich von kationischen Aminosäuretransportern abhängig ist, sondern auch von Transportern für neutrale Aminosäuren und Peptide, und außerdem von Arginin-bereitstellenden Enzymen. Der jeweilige Beitrag der verschiedenen Arginin-Quellen zur Substratversorgung der NOS ist daher abhängig vom Anteil der jeweiligen Aminosäuren und Peptide in der extrazellulären Flüssigkeit.

New synthetic strategies to tethered bilayer lipid membranes

Tethered bilayer lipid membranes provide an efficient, stable and versatile platform for the investigation of integrated membrane proteins. However, the incorporation of large proteins, as well as of proteins with a large submembrane part is still a very critical issue and therefore, further optimisation of the system is necessary. The central element of a tBLM is a lipid bilayer. Its proximal leaflet is, at least to some extend, covalently attached to a solid support via a spacer group. The anchor lipid consists of three distinct parts, a lipid headgroup, a spacer group and an anchor. All parts together influence the final bilayer properties. In the frame of this work, the synthesis of new thiolipids for tBLMs on gold has been investigated. The aim was to obtain molecules with longer spacers in order to increase the submembrane space. The systems obtained have been characterized using SPR and EIS. The results obtained during this study are multiple. First, the synthesis of a previously synthesized architecture was successfully scaled up in an industrial lab using a new synthetic approach. The synthesis of large amounts is now feasible. Then, the synthesis of the new thiolipids was carried out taking into account the following requirements: the increase of the submembrane space by having longer ethyleneglycol spacers, the attachment of the molecules to a gold substrate via a thiol bond, and the tunability of the lateral mobility by changing the lipid headgroup. Three different synthetic strategies have been investigated. The polymeric approach did not prove to be successful, merely because of the broad molecular weight distribution. The synthesis of heterofunctionally protected oligoethyleneglycols allowed to obtain ethyleneglycol moieties with 6 and 8 units, but the tedious purification steps gave very low yields. Finally, the block by block synthesis using ethyleneglycol precursors proved to be an efficient and fast method to synthesize the target molecules. Indeed, these were obtained with very high yields, and the separation was very efficient. A whole family of new compounds was obtained, having 6, 8 and 14 ethyleneglycol units and with mono- or diphytanyl lipid headgroups. This new pathway is a very promising synthetic strategy that can be used further in the development of new compounds of the tether system. The formation of bilayers was investigated for the different thiolipids mainly by using EIS. The electrical properties of a bilayer define the quality of the membrane and allow the study of the functionality of proteins embedded in such a system. Despite multiple trials to improve the system using self assembly, Langmuir Blodgett transfer, and detergent mixed vesicles, the new polymer thiolipids did not show as high electrical properties as tBLMs reported in the literature. Nevertheless, it was possible to show that a bilayer could be obtained for the different spacer lengths. These bilayers could be formed using self assembly for the first monolayer, and two different methods for bilayer formation, namely vesicle fusion and solvent exchange. We could furthermore show functional incorporation of the ion carrier valinomycin: the selective transport of K+ ions could be demonstrated. For DPHL, it was even possible to show the functional incorporation of the ion channel gramicidin. The influence of the spacer length is translated into an increase of the spacer capacitance, which could correspond to an increase in the capacity of charge accumulation in the submembrane space. The different systems need to be further optimised to improve the electrical properties of the bilayer. Moreover, the incorporation of larger proteins, and proteins bearing submembrane parts needs to be investigated.

Core-shell macromolecules with dendritic polyphenylene core and polymer shells

Core-shell macromolecules with dendritic polyphenylene core and polymer shell Zusammenfassung / Abstract Core-shell macromolecular structures have become of great interest in materials science because they gave an opportunity to combine a large variety of chemical and physical properties in the single molecule, by combination of different (in terms of chemistry and physics) cores and shells. The interest in such complex structures was provoked by their potential applications in the coating and painting industry (latexes), as supports for catalysts in polymer industry, or as nano-containers and transporters for genes or drug delivery. The aim of this study was the synthesis, characterization and further application of core-shell macromolecules possessing a hydrophobic stiff core (polyphenylene dendrimers) surrounded with a hydrophilic, soft, covalently bonded polymer shell (poly(ethylene oxide) and its copolymers). The requirements for such complex substances were that they should be well-defined in terms of molecular weight (narrow molecular weight distribution) and in molecular structure. The preparation of core-shell molecules containing dendrimer as a core was possible via two synthetic routs: “grafting-onto” and “grafting-from”. The resulting core-shell macromolecules possessed narrow polydispersity as guaranteed by the excellent structural and functional definition of the dendrimer and the narrow polydispersity of the PEO, PS-b-PEO and PI-b-PEO attached to the dendrimer surface. Additional investigation of the size of the particles indicated a relation between both the length and the number of the polymer chains and the hydrodynamic radius determined by Dynamic Light Scattering and Fluorescent Correlation Spectroscopy. Core-shell nano-particles were applied as metallocene supports in heterogeneous olefin polymerizations. Our results indicate that such catalyst systems, that have a size of at least one order of magnitude smaller than the used by now organic supports, could be very useful as model compounds for investigations on catalyst fragmentation and its influence on the product parameters.

Carrier und Regulatoren des Tartrat- und C 4-Dicarboxylatstoffwechsels von Escherichia coli

In E. coli dient L-Tartrat als Elektronenakzeptor während des anaeroben Wachstums und wird schließlich zu Succinat umgesetzt. Der sekundäre Carrier TtdT (YgjE) von E. coli ist ein Antiporter, der die Aufnahme von L-Tartrat im elektroneutralen Austausch gegen intrazelluläres Succinat katalysiert. TtdT besitzt eine hohe Substratspezifität und katalysiert den Transport von L-Tartrat und Succinat, nicht aber von meso- und D-Tartrat. Das Gen ttdT (ygjE) bildet mit den Genen ttdA und ttdB, welche für die L-Tartratdehydratase kodieren, ein Operon. Das benachbarte Gen ttdR (ygiP) kodiert für TtdR (YgiP), einen Tartrat-spezifischen Regulator vom LysR-Typ. TtdR reguliert die L-Tartratfermentation direkt durch Induktion des ttdABT-Operons und durch Autoregulation. TtdR stellt damit den Tartrat-spezifischen Regulator dar, der auf die Expression des ttdR ttdABT-Genclusters spezialisiert ist. Dagegen reguliert DcuSR, das Zweikomponentensystem für C4-Dicarboxylate, die L-Tartratfermentation indirekt durch die Regulation der Gene für die Fumaratatmung. YfaV und YeaV sind weitere potentielle Tartrattransporter. YfaV katalysiert vermutlich den Transport von C4-Dicarboxylaten, einschließlich Tartrat, unter aeroben und anaeroben Bedingungen. YeaV wird nur in Anwesenheit von L- und meso-Tartrat und unter aeroben Bedingungen gebildet. Die yeaUVWX-Gene unterliegen der trankriptionellen Regulation durch YeaT, dessen Gen yeaT vor yeaU liegt. YeaT ist wie TtdR ein Tartrat-spezifischer Regulator und besitzt eine signifikante Ähnlichkeit zu TtdR.