Biochemical analysis of the phosphatase domain of the human soluble epoxide hydrolase (sEH)

Die lösliche Epoxidhydrolase (sEH) gehört zur Familie der Epoxidhydrolase-Enzyme. Die Rolle der sEH besteht klassischerweise in der Detoxifikation, durch Umwandlung potenziell schädlicher Epoxide in deren unschädliche Diol-Form. Hauptsächlich setzt die sEH endogene, der Arachidonsäure verwandte Signalmoleküle, wie beispielsweise die Epoxyeicosatrienoic acid, zu den entsprechenden Diolen um. Daher könnte die sEH als ein Zielenzym in der Therapie von Bluthochdruck und Entzündungen sowie diverser anderer Erkrankungen eingesetzt werden. rnDie sEH ist ein Homodimer, in dem jede Untereinheit aus zwei Domänen aufgebaut ist. Das katalytische Zentrum der Epoxidhydrolaseaktivität befindet sich in der 35 kD großen C-terminalen Domäne. Dieser Bereich der sEH s wurde bereits im Detail untersucht und nahezu alle katalytischen Eigenschaften des Enzyms sowie deren dazugehörige Funktionen sind in Zusammenhang mit dieser Domäne bekannt. Im Gegensatz dazu ist über die 25 kD große N-terminale Domäne wenig bekannt. Die N-terminale Domäne der sEH wird zur Haloacid Dehalogenase (HAD) Superfamilie von Hydrolasen gezählt, jedoch war die Funktion dieses N-terminal Domäne lange ungeklärt. Wir haben in unserer Arbeitsgruppe zum ersten Mal zeigen können, dass die sEH in Säugern ein bifunktionelles Enzym ist, welches zusätzlich zur allgemein bekannten Enzymaktivität im C-terminalen Bereich eine weitere enzymatische Funktion mit Mg2+-abhängiger Phosphataseaktivität in der N-terminalen Domäne aufweist. Aufgrund der Homologie der N-terminalen Domäne mit anderen Enzymen der HAD Familie wird für die Ausübung der Phosphatasefunktion (Dephosphorylierung) eine Reaktion in zwei Schritten angenommen.rnUm den katalytischen Mechanismus der Dephosphorylierung weiter aufzuklären, wurden biochemische Analysen der humanen sEH Phosphatase durch Generierung von Mutationen im aktiven Zentrum mittels ortsspezifischer Mutagenese durchgeführt. Hiermit sollten die an der katalytischen Aktivität beteiligten Aminosäurereste im aktiven Zentrum identifiziert und deren Rolle bei der Dephosphorylierung spezifiziert werden. rnrnAuf Basis der strukturellen und möglichen funktionellen Ähnlichkeiten der sEH und anderen Mitgliedern der HAD Superfamilie wurden Aminosäuren (konservierte und teilweise konservierte Aminosäuren) im aktiven Zentrum der sEH Phosphatase-Domäne als Kandidaten ausgewählt.rnVon den Phosphatase-Domäne bildenden Aminosäuren wurden acht ausgewählt (Asp9 (D9), Asp11 (D11), Thr123 (T123), Asn124 (N124), Lys160 (K160), Asp184 (D184), Asp185 (D185), Asn189 (N189)), die mittels ortsspezifischer Mutagenese durch nicht funktionelle Aminosäuren ausgetauscht werden sollten. Dazu wurde jede der ausgewählten Aminosäuren durch mindestens zwei alternative Aminosäuren ersetzt: entweder durch Alanin oder durch eine Aminosäure ähnlich der im Wildtyp-Enzym. Insgesamt wurden 18 verschiedene rekombinante Klone generiert, die für eine mutante sEH Phosphatase Domäne kodieren, in dem lediglich eine Aminosäure gegenüber dem Wildtyp-Enzym ersetzt wurde. Die 18 Mutanten sowie das Wildtyp (Sequenz der N-terminalen Domäne ohne Mutation) wurden in einem Expressionsvektor in E.coli kloniert und die Nukleotidsequenz durch Restriktionsverdau sowie Sequenzierung bestätigt. Die so generierte N-terminale Domäne der sEH (25kD Untereinheit) wurde dann mittels Metallaffinitätschromatographie erfolgreich aufgereinigt und auf Phosphataseaktivität gegenüber des allgemeinen Substrats 4-Nitophenylphosphat getestet. Diejenigen Mutanten, die Phosphataseaktivität zeigten, wurden anschließend kinetischen Tests unterzogen. Basiered auf den Ergebnissen dieser Untersuchungen wurden kinetische Parameter mittels vier gut etablierter Methoden berechnet und die Ergebnisse mit der „direct linear blot“ Methode interpretiert. rnDie Ergebnisse zeigten, dass die meisten der 18 generierten Mutanten inaktiv waren oder einen Großteil der Enzymaktivität (Vmax) gegenüber dem Wildtyp verloren (WT: Vmax=77.34 nmol-1 mg-1 min). Dieser Verlust an Enzymaktivität ließ sich nicht durch einen Verlust an struktureller Integrität erklären, da der Wildtyp und die mutanten Proteine in der Chromatographie das gleiche Verhalten zeigten. Alle Aminosäureaustausche Asp9 (D9), Lys160 (K160), Asp184 (D184) und Asn189 (N189) führten zum kompletten Verlust der Phosphataseaktivität, was auf deren katalytische Funktion im N-terminalen Bereich der sEH hindeutet. Bei einem Teil der Aminosäureaustausche die für Asp11 (D11), Thr123 (T123), Asn124 (N124) und Asn185 (D185) durchgeführt wurden, kam es, verglichen mit dem Wildtyp, zu einer starken Reduktion der Phosphataseaktivität, die aber dennoch für die einzelnen Proteinmutanten in unterschiedlichem Ausmaß zu messen war (2 -10% and 40% of the WT enzyme activity). Zudem zeigten die Mutanten dieser Gruppe veränderte kinetische Eigenschaften (Vmax allein oder Vmax und Km). Dabei war die kinetische Analyse des Mutanten Asp11  Asn aufgrund der nur bei dieser Mutanten detektierbaren starken Vmax Reduktion (8.1 nmol-1 mg-1 min) und einer signifikanten Reduktion der Km (Asp11: Km=0.54 mM, WT: Km=1.3 mM), von besonderem Interesse und impliziert eine Rolle von Asp11 (D11) im zweiten Schritt der Hydrolyse des katalytischen Zyklus.rnZusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass alle in dieser Arbeit untersuchten Aminosäuren für die Phosphataseaktivität der sEH nötig sind und das aktive Zentrum der sEH Phosphatase im N-terminalen Bereich des Enzyms bilden. Weiterhin tragen diese Ergebnisse zur Aufklärung der potenziellen Rolle der untersuchten Aminosäuren bei und unterstützen die Hypothese, dass die Dephosphorylierungsreaktion in zwei Schritten abläuft. Somit ist ein kombinierter Reaktionsmechanismus, ähnlich denen anderer Enzyme der HAD Familie, für die Ausübung der Dephosphorylierungsfunktion denkbar. Diese Annahme wird gestützt durch die 3D-Struktur der N-terminalen Domäne, den Ergebnissen dieser Arbeit sowie Resultaten weiterer biochemischer Analysen. Der zweistufige Mechanismus der Dephosphorylierung beinhaltet einen nukleophilen Angriff des Substratphosphors durch das Nukleophil Asp9 (D9) des aktiven Zentrums unter Bildung eines Acylphosphat-Enzym-Zwischenprodukts, gefolgt von der anschließenden Freisetzung des dephosphorylierten Substrats. Im zweiten Schritt erfolgt die Hydrolyse des Enzym-Phosphat-Zwischenprodukts unterstützt durch Asp11 (D11), und die Freisetzung der Phosphatgruppe findet statt. Die anderen untersuchten Aminosäuren sind an der Bindung von Mg 2+ und/oder Substrat beteiligt. rnMit Hilfe dieser Arbeit konnte der katalytischen Mechanismus der sEH Phosphatase weiter aufgeklärt werden und wichtige noch zu untersuchende Fragestellungen, wie die physiologische Rolle der sEH Phosphatase, deren endogene physiologische Substrate und der genaue Funktionsmechanismus als bifunktionelles Enzym (die Kommunikation der zwei katalytischen Einheiten des Enzyms) wurden aufgezeigt und diskutiert.rn

Characterization of mitochondrial genomes in bivalve species with doubly uniparental inheritance of mitochondria

Many bivalve species possess two distinct mtDNA lineages, called F and M, respectively inherited maternally and paternally: this system is called doubly uniparental inheritance (DUI). The main experimental project of my PhD was the quantification of the two mtDNAs during the development of the DUI species Ruditapes philippinarum, from early embryos to sub-adults, using Real-Time qPCR. I identified the time interval in which M mtDNA is lost from female individuals, while it is retained in males (which are heteroplasmic through all of their life cycle). The results also suggested absence of mtDNA replication during early embryogenesis, a process constituting a bottleneck that highly reduces the copy number of mtDNA molecules in cells of developing larvae. In males this bottleneck may produce cells homoplasmic for M mtDNA, and could be considered as a first step of the segregation of M in the male germ line. Another finding was the characterization, in young clams approaching the first reproductive season, of a significant boost in copy number of F mtDNA in females and of M in males. Given the age of animals in which this mtDNA-specific growth was observed, the finding could probably be the outcome of the first round of gonads and gametes production. Other lines of research included the characterization of the unassigned regions in mt genomes of DUI bivalves. These regions can harbor signals involved in the control of replication and/or transcription of the mtDNA molecule, as well as additional open reading frames (ORFs) not related to oxidative phosphorylation. These features in DUI species could be associated to the maintenance of separate inheritance routes for the two mtDNAs. Additional ORFs are also found in other animal mt genomes: I summarized the presence of gene duplications as a co-author in a review focusing on animal mt genomes with unusual gene content.

The lectin-like domain of tumor necrosis factor improves lung function after rat lung transplantation--potential role for a reduction in reactive oxygen species generation

To test the hypothesis that the lectin-like domain of tumor necrosis factor, mimicked by the TIP peptide, can improve lung function after unilateral orthotopic lung isotransplantation. Because of a lack of a specific treatment for ischemia reperfusion-mediated lung injury, accompanied by a disrupted barrier integrity and a dysfunctional alveolar liquid clearance, alternative therapies restoring these parameters after lung transplantation are required.

Is detection of bacterial DNA in ascitic fluid of clinical relevance?

In patients with cirrhosis, bacterial DNA has been found in ascites reflecting bacterial translocation. However, the clinical relevance of this finding is ill-defined especially compared with the standard diagnostics for detection of spontaneous bacterial peritonitis (SBP). Furthermore, other DNA tests have not been sufficiently evaluated.

Screening the Structural Space of Bicyclo-DNA: Synthesis and Properties of Bicyclo-DNA Functionalized at C(6’)

The synthesis of a novel bicyclo-thymidine nucleoside bearing an ester functionality at C(6') (bc(alpha-alk)-nucleosides) is reported. This nucleoside was incorporated into oligodeoxynucleotides via solid phase phosphoramidite chemistry, and the ester moiety was post-synthetically converted to an amide or a carboxy group, or was left unchanged. Thermal melting data (T-m) with complementary DNA and RNA were collected and compared to natural DNA and to bc- and bc(ox)-DNA. It was found that single incorporations of bc(alpha-alk)-nucleosides in DNA duplexes were destabilizing by 0.5 to 2.5 degrees C/mod, whereas two consecutive bc(alpha-alk)-residues were less destabilizing, and in some cases even stabilizing by 0.5 degrees C/mod. In duplexes with complementary RNA, isolated bc(alpha-alk)-residues destabilized the duplex by -1.0 to -4.0 degrees C/mod, depending on the chemical nature of the substituent, whereas two consecutive modifications were only destabilizing by 0.3-1.0 degrees C/mod. The pairing selectivity was similar to that of unmodified or bc-DNA.

Crystallization of Escherichia coli Catabolite Gene Activator Protein with its DNA Binding Site: The use of Modular DNA

To obtain crystals of the Escherichia coli catabolite gene activator protein (CAP) complexed with its DNA-binding site, we have searched for crystallization conditions with 26 different DNA segments ≥28 base-pairs in length that explore a variety of nucleotide sequences, lengths, and extended 5′ or 3′ termini. In addition to utilizing uninterrupted asymmetric lac site sequences, we devised a novel approach of synthesizing half-sites that allowed us to efficiently generate symmetric DNA segments with a wide variety of extended termini and lengths in the large size range (≥28 bp) required by this protein. We report three crystal forms that are suitable for X-ray analysis, one of which (crystal form III) gives measurable diffraction amplitudes to 3 Å resolution. Additives such as calcium, n-octyl-β-d-glucopyranoside and spermine produce modest improvements in the quality of diffraction from crystal form III. Adequate stabilization of crystal form III is unexpectedly complex, requiring a greater than tenfold reduction in the salt concentration followed by addition of 2-methyl-2,4-pentanediol and then an increase in the concentration of polyethylene glycol.

Patient with syncope and LQTS carrying a mutation in the PAS domain of the hERG1 channel

We report the case of a woman with syncope and persistently prolonged QTc interval. Screening of congenital long QT syndrome (LQTS) genes revealed that she was a heterozygous carrier of a novel KCNH2 mutation, c.G238C. Electrophysiological and biochemical characterizations unveiled the pathogenicity of this new mutation, displaying a 2-fold reduction in protein expression and current density due to a maturation/trafficking-deficient mechanism. The patient's phenotype can be fully explained by this observation. This study illustrates the importance of performing genetic analyses and mutation characterization when there is a suspicion of congenital LQTS. Identifying mutations in the PAS domain or other domains of the hERG1 channel and understanding their effect may provide more focused and mutation-specific risk assessment in this population.

Plectin interacts with the rod domain of type III intermediate filament proteins desmin and vimentin

Plectin is a versatile cytolinker protein critically involved in the organization of the cytoskeletal filamentous system. The muscle-specific intermediate filament (IF) protein desmin, which progressively replaces vimentin during differentiation of myoblasts, is one of the important binding partners of plectin in mature muscle. Defects of either plectin or desmin cause muscular dystrophies. By cell transfection studies, yeast two-hybrid, overlay and pull-down assays for binding analysis, we have characterized the functionally important sequences for the interaction of plectin with desmin and vimentin. The association of plectin with both desmin and vimentin predominantly depended on its fifth plakin repeat domain and downstream linker region. Conversely, the interaction of desmin and vimentin with plectin required sequences contained within the segments 1A-2A of their central coiled-coil rod domain. This study furthers our knowledge of the interaction between plectin and IF proteins important for maintenance of cytoarchitecture in skeletal muscle. Moreover, binding of plectin to the conserved rod domain of IF proteins could well explain its broad interaction with most types of IFs.

Antimicrobial peptide response to blood translocation of bacterial DNA in Crohn's disease is affected by NOD2/CARD15 genotype

Blood translocation of bacterial-DNA has been described in patients with Crohn's disease (CD). The host's immune cell types cooperate to respond against bacterial insults. Some antimicrobial peptides are inducible after culture with bacterial products and a linkage has been established between them and NOD2/CARD15. The aim was to test whether defensins and cathelicidin (LL-37) expression and NOD2/CARD15 mutations in blood neutrophils are related to molecular bacterial translocation events in CD patients.

Cytotoxic effects of polycarbonate-based orthodontic brackets by activation of mitochondrial apoptotic mechanisms

OBJECTIVES: The aim of the study was to evaluate the biological effects of water eluents from polycarbonate based esthetic orthodontic brackets. METHODS: The composite polycarbonate brackets tested were Silkon Plus (SL, fiber-glass-reinforced), Elan ME (EL, ceramic particle-reinforced) and Elegance (EG, fiber-glass-reinforced). An unfilled polyoxymethylene bracket (Brilliant, BR) was used as control. The brackets' composition was analyzed by ATR-FTIR spectrometry. The cytotoxicity and estrogenicity of the eluents obtained after 3months storage of the brackets in water (37°C) were investigated in murine fibroblasts (NIH 3T3), breast (MCF-7) and cervical cancer (CCl-2/Hela) cell lines. RESULTS: SL and EG were based on aromatic-polycarbonate matrix, whereas EL consisted of an aromatic polycarbonate-polyethylene terepthalate copolymer. A significant induction of cell death and a concurrent decrease in cell proliferation was noted in the EG eluent-treated cells. Moreover, EG eluent significantly reduced the levels of the estrogen signaling associated gene pS2, specifically in MCF7 cells, suggesting that cell death induced by this material is associated with downregulation of estrogen signaling pathways. Even though oxidative stress mechanisms were equally activated by all eluents, the EG eluents induced expression of apoptosis inducing factor (AIF) and reduced Bcl-xL protein levels. SIGNIFICANCE: Some polycarbonate-based composite brackets when exposed to water release substances than activate mitochondrial apoptosis.