Crystallization and preliminary X-ray diffraction of malate dehydrogenase from Plasmodium falciparum

The expression, purification, crystallization and preliminary X-ray diffraction characterization of malate dehydrogenase (MDH) from the malarial parasite Plasmodium falciparum (PfMDH) are reported. In order to gain a deeper understanding of the function and role of PfMDH, the protein was purified to homogeneity. The purified protein crystallized in space group P1, with unit-cell parameters a = 72, b = 157, c = 159 angstrom, a = 105, beta = 101, ? = 95 degrees. The resulting crystals diffracted to a maximal resolution of 2.24 angstrom and the structure has been solved by molecular replacement, with 16 monomers in the asymmetric unit. The 16 monomers are arranged into four independent tetramers, in agreement with previous reports demonstrating the tetrameric solution state of PfMDH. The X-ray structure of PfMDH is expected to clarify the differences in catalysis by PfMDH compared with other MDH family members and to provide a basis for the structure-based design of specific PfMDH inhibitors as well as general MDH inhibitors.

Global transcriptional response of Caulobacter crescentus to iron availability

Abstract Background In the alpha subclass of proteobacteria iron homeostasis is controlled by diverse iron responsive regulators. Caulobacter crescentus, an important freshwater α-proteobacterium, uses the ferric uptake repressor (Fur) for such purpose. However, the impact of the iron availability on the C. crescentus transcriptome and an overall perspective of the regulatory networks involved remain unknown. Results In this work we report the identification of iron-responsive and Fur-regulated genes in C. crescentus using microarray-based global transcriptional analyses. We identified 42 genes that were strongly upregulated both by mutation of fur and by iron limitation condition. Among them, there are genes involved in iron uptake (four TonB-dependent receptor gene clusters, and feoAB), riboflavin biosynthesis and genes encoding hypothetical proteins. Most of these genes are associated with predicted Fur binding sites, implicating them as direct targets of Fur-mediated repression. These data were validated by β-galactosidase and EMSA assays for two operons encoding putative transporters. The role of Fur as a positive regulator is also evident, given that 27 genes were downregulated both by mutation of fur and under low-iron condition. As expected, this group includes many genes involved in energy metabolism, mostly iron-using enzymes. Surprisingly, included in this group are also TonB-dependent receptors genes and the genes fixK, fixT and ftrB encoding an oxygen signaling network required for growth during hypoxia. Bioinformatics analyses suggest that positive regulation by Fur is mainly indirect. In addition to the Fur modulon, iron limitation altered expression of 113 more genes, including induction of genes involved in Fe-S cluster assembly, oxidative stress and heat shock response, as well as repression of genes implicated in amino acid metabolism, chemotaxis and motility. Conclusions Using a global transcriptional approach, we determined the C. crescentus iron stimulon. Many but not all of iron responsive genes were directly or indirectly controlled by Fur. The iron limitation stimulon overlaps with other regulatory systems, such as the RpoH and FixK regulons. Altogether, our results showed that adaptation of C. crescentus to iron limitation not only involves increasing the transcription of iron-acquisition systems and decreasing the production of iron-using proteins, but also includes novel genes and regulatory mechanisms.

Differential regulation of PGC-1α expression in rat liver and skeletal muscle in response to voluntary running

Abstract Background The beneficial actions of exercise training on lipid, glucose and energy metabolism and insulin sensitivity appear to be in part mediated by PGC-1α. Previous studies have shown that spontaneously exercised rats show at rest enhanced responsiveness to exogenous insulin, lower plasma insulin levels and increased skeletal muscle insulin sensitivity. This study was initiated to examine the functional interaction between exercise-induced modulation of skeletal muscle and liver PGC-1α protein expression, whole body insulin sensitivity, and circulating FFA levels as a measure of whole body fatty acid (lipid) metabolism. Methods Two groups of male Wistar rats (2 Mo of age, 188.82 ± 2.77 g BW) were used in this study. One group consisted of control rats placed in standard laboratory cages. Exercising rats were housed individually in cages equipped with running wheels and allowed to run at their own pace for 5 weeks. At the end of exercise training, insulin sensitivity was evaluated by comparing steady-state plasma glucose (SSPG) concentrations at constant plasma insulin levels attained during the continuous infusion of glucose and insulin to each experimental group. Subsequently, soleus and plantaris muscle and liver samples were collected and quantified for PGC-1α protein expression by Western blotting. Collected blood samples were analyzed for glucose, insulin and FFA concentrations. Results Rats housed in the exercise wheel cages demonstrated almost linear increases in running activity with advancing time reaching to maximum value around 4 weeks. On an average, the rats ran a mean (Mean ± SE) of 4.102 ± 0.747 km/day and consumed significantly more food as compared to sedentary controls (P < 0.001) in order to meet their increased caloric requirement. Mean plasma insulin (P < 0.001) and FFA (P < 0.006) concentrations were lower in the exercise-trained rats as compared to sedentary controls. Mean steady state plasma insulin (SSPI) and glucose (SSPG) concentrations were not significantly different in sedentary control rats as compared to exercise-trained animals. Plantaris PGC-1α protein expression increased significantly from a 1.11 ± 0.12 in the sedentary rats to 1.74 ± 0.09 in exercising rats (P < 0.001). However, exercise had no effect on PGC-1α protein content in either soleus muscle or liver tissue. These results indicate that exercise training selectively up regulates the PGC-1α protein expression in high-oxidative fast skeletal muscle type such as plantaris muscle. Conclusion These data suggest that PGC-1α most likely plays a restricted role in exercise-mediated improvements in insulin resistance (sensitivity) and lowering of circulating FFA levels.

Desnutrição perinatal e o controle hipotalâmico do comportamento alimentar e do metabolismo do músculo esquelético

A deficiência de nutrientes durante os períodos críticos do desenvolvimento tem sido associada com maior risco para desenvolver obesidade e diabetes Mellitus na vida adulta. Um dos mecanismos propostos refere-se à regulação do comportamento alimentar e às alterações do metabolismo energético do músculo esquelético. Recentemente, tem sido proposta a existência de uma comunicação entre o hipotálamo e o músculo esquelético a partir de sinais autonômicos que podem explicar as repercussões da desnutrição perinatal. Assim, esta revisão tem como objetivo discutir as repercussões da desnutrição perinatal sobre o comportamento alimentar e o metabolismo energético muscular e a comunicação existente entre o hipotálamo e o músculo via sinais adrenérgicos. Foram utilizadas as bases de dados MedLine/PubMed, Lilacs e Bireme, com publicações entre 2000 e 2011. Os termos de indexação utilizados foram: feeding behavior, energy metabolism, protein malnutrition, developmental plasticity, skeletal muscle e autonomic nervous system. Concluiu-se que a desnutrição perinatal pode atuar no controle hipotalâmico do comportamento alimentar e no metabolismo energético muscular, e a comunicação hipotálamo-músculo pode favorecer o desenvolvimento de obesidade e comorbidades durante o desenvolvimento.

Global transcriptional response of Caulobacter crescentus to iron availability

BACKGROUND: In the alpha subclass of proteobacteria iron homeostasis is controlled by diverse iron responsive regulators. Caulobacter crescentus, an important freshwater α-proteobacterium, uses the ferric uptake repressor (Fur) for such purpose. However, the impact of the iron availability on the C. crescentus transcriptome and an overall perspective of the regulatory networks involved remain unknown. RESULTS: In this work we report the identification of iron-responsive and Fur-regulated genes in C. crescentus using microarray-based global transcriptional analyses. We identified 42 genes that were strongly upregulated both by mutation of fur and by iron limitation condition. Among them, there are genes involved in iron uptake (four TonB-dependent receptor gene clusters, and feoAB), riboflavin biosynthesis and genes encoding hypothetical proteins. Most of these genes are associated with predicted Fur binding sites, implicating them as direct targets of Fur-mediated repression. These data were validated by β-galactosidase and EMSA assays for two operons encoding putative transporters. The role of Fur as a positive regulator is also evident, given that 27 genes were downregulated both by mutation of fur and under low-iron condition. As expected, this group includes many genes involved in energy metabolism, mostly iron-using enzymes. Surprisingly, included in this group are also TonB-dependent receptors genes and the genes fixK, fixT and ftrB encoding an oxygen signaling network required for growth during hypoxia. Bioinformatics analyses suggest that positive regulation by Fur is mainly indirect. In addition to the Fur modulon, iron limitation altered expression of 113 more genes, including induction of genes involved in Fe-S cluster assembly, oxidative stress and heat shock response, as well as repression of genes implicated in amino acid metabolism, chemotaxis and motility. CONCLUSIONS: Using a global transcriptional approach, we determined the C. crescentus iron stimulon. Many but not all of iron responsive genes were directly or indirectly controlled by Fur. The iron limitation stimulon overlaps with other regulatory systems, such as the RpoH and FixK regulons. Altogether, our results showed that adaptation of C. crescentus to iron limitation not only involves increasing the transcription of iron-acquisition systems and decreasing the production of iron-using proteins, but also includes novel genes and regulatory mechanisms

A parallel future for Ocean research?

[EN] Today, science is difficult to pursue because funding is so tenuous. In such a financial climate, researchers need to consider parallel alternatives to ensure that scientific research can continue. Based on this thinking, we created BIOCEANSolutions, a company born of a research group. A great variety of environmental regulations and standards have emerged over recent years with the purpose of protecting natural ecosystems. These have enabled us to link our research to the market of environmental management. Marine activities can alter environmental conditions, resulting in changes in physiological states, species diversity, abundance, and biomass in the local biological communities. In this way, we can apply our knowledge, to plankton ecophysiology and biochemical oceanography. We measure enzyme activities as bio-indicators of energy metabolism and other physiological rates and biologic-oceanographic processes in marine organisms. This information provides insight into the health of marine communities, the stress levels of individual organisms, and potential anomalies that may be affecting them. In the process of verifying standards and complying with regulations, we can apply our analytic capability and knowledge. The main analyses that we offer are: (1) the activity of the electron transport system (ETS) or potential respiration (Φ), (2) the physiological measurement of respiration (oxygen consumption), (3) the activity of Isocitrate dehydrogenase (IDH), (4) the respiratory CO2 production, and (5) the activity of Glutamate dehydrogenase (GDH) and (6) the physiological measurement of ammonium excretion. In addition, our experience in a productive research group allows us to pursue and develop technical-experimental activities such as marine and freshwater aquaculture, oceanographic field sampling, as well as providing guidance, counseling, and academic services. In summary, this new company will permit us to create a symbiosis between public and private sectors that serve clients and will allow us to grow and expand as a research team.

Different approaches to identify markers for meat quality and production traits in pigs: analysis of the transcriptome in post mortem skeletal muscle and investigation of candidate genes

Due to the growing attention of consumers towards their food, improvement of quality of animal products has become one of the main focus of research. To this aim, the application of modern molecular genetics approaches has been proved extremely useful and effective. This innovative drive includes all livestock species productions, including pork. The Italian pig breeding industry is unique because needs heavy pigs slaughtered at about 160 kg for the production of high quality processed products. For this reason, it requires precise meat quality and carcass characteristics. Two aspects have been considered in this thesis: the application of the transcriptome analysis in post mortem pig muscles as a possible method to evaluate meat quality parameters related to the pre mortem status of the animals, including health, nutrition, welfare, and with potential applications for product traceability (chapters 3 and 4); the study of candidate genes for obesity related traits in order to identify markers associated with fatness in pigs that could be applied to improve carcass quality (chapters 5, 6, and 7). Chapter three addresses the first issue from a methodological point of view. When we considered this issue, it was not obvious that post mortem skeletal muscle could be useful for transcriptomic analysis. Therefore we demonstrated that the quality of RNA extracted from skeletal muscle of pigs sampled at different post mortem intervals (20 minutes, 2 hours, 6 hours, and 24 hours) is good for downstream applications. Degradation occurred starting from 48 h post mortem even if at this time it is still possible to use some RNA products. In the fourth chapter, in order to demonstrate the potential use of RNA obtained up to 24 hours post mortem, we present the results of RNA analysis with the Affymetrix microarray platform that made it possible to assess the level of expression of more of 24000 mRNAs. We did not identify any significant differences between the different post mortem times suggesting that this technique could be applied to retrieve information coming from the transcriptome of skeletal muscle samples not collected just after slaughtering. This study represents the first contribution of this kind applied to pork. In the fifth chapter, we investigated as candidate for fat deposition the TBC1D1 [TBC1 (tre-2/USP6, BUB2, cdc16) gene. This gene is involved in mechanisms regulating energy homeostasis in skeletal muscle and is associated with predisposition to obesity in humans. By resequencing a fragment of the TBC1D1 gene we identified three synonymous mutations localized in exon 2 (g.40A>G, g.151C>T, and g.172T>C) and 2 polymorphisms localized in intron 2 (g.219G>A and g.252G>A). One of these polymorphisms (g.219G>A) was genotyped by high resolution melting (HRM) analysis and PCR-RFLP. Moreover, this gene sequence was mapped by radiation hybrid analysis on porcine chromosome 8. The association study was conducted in 756 performance tested pigs of Italian Large White and Italian Duroc breeds. Significant results were obtained for lean meat content, back fat thickness, visible intermuscular fat and ham weight. In chapter six, a second candidate gene (tribbles homolog 3, TRIB3) is analyzed in a study of association with carcass and meat quality traits. The TRIB3 gene is involved in energy metabolism of skeletal muscle and plays a role as suppressor of adipocyte differentiation. We identified two polymorphisms in the first coding exon of the porcine TRIB3 gene, one is a synonymous SNP (c.132T> C), a second is a missense mutation (c.146C> T, p.P49L). The two polymorphisms appear to be in complete linkage disequilibrium between and within breeds. The in silico analysis of the p.P49L substitution suggests that it might have a functional effect. The association study in about 650 pigs indicates that this marker is associated with back fat thickness in Italian Large White and Italian Duroc breeds in two different experimental designs. This polymorphisms is also associated with lactate content of muscle semimembranosus in Italian Large White pigs. Expression analysis indicated that this gene is transcribed in skeletal muscle and adipose tissue as well as in other tissues. In the seventh chapter, we reported the genotyping results for of 677 SNPs in extreme divergent groups of pigs chosen according to the extreme estimated breeding values for back fat thickness. SNPs were identified by resequencing, literature mining and in silico database mining. analysis, data reported in the literature of 60 candidates genes for obesity. Genotyping was carried out using the GoldenGate (Illumina) platform. Of the analyzed SNPs more that 300 were polymorphic in the genotyped population and had minor allele frequency (MAF) >0.05. Of these SNPs, 65 were associated (P<0.10) with back fat thickness. One of the most significant gene marker was the same TBC1D1 SNPs reported in chapter 5, confirming the role of this gene in fat deposition in pig. These results could be important to better define the pig as a model for human obesity other than for marker assisted selection to improve carcass characteristics.

Trascriptome analysis and functional genomics of Neisseria meningitidis in human blood

Neisseria meningitidis (Nm) is the major cause of septicemia and meningococcal meningitis. During the course of infection, it must adapt to different host environments as a crucial factor for survival. Despite the severity of meningococcal sepsis, little is known about how Nm adapts to permit survival and growth in human blood. A previous time-course transcriptome analysis, using an ex vivo model of human whole blood infection, showed that Nm alters the expression of nearly 30% of ORFs of the genome: major dynamic changes were observed in the expression of transcriptional regulators, transport and binding proteins, energy metabolism, and surface-exposed virulence factors. Starting from these data, mutagenesis studies of a subset of up-regulated genes were performed and the mutants were tested for the ability to survive in human whole blood; Nm mutant strains lacking the genes encoding NMB1483, NalP, Mip, NspA, Fur, TbpB, and LctP were sensitive to killing by human blood. Then, the analysis was extended to the whole Nm transcriptome in human blood, using a customized 60-mer oligonucleotide tiling microarray. The application of specifically developed software combined with this new tiling array allowed the identification of different types of regulated transcripts: small intergenic RNAs, antisense RNAs, 5’ and 3’ untranslated regions and operons. The expression of these RNA molecules was confirmed by 5’-3’RACE protocol and specific RT-PCR. Here we describe the complete transcriptome of Nm during incubation in human blood; we were able to identify new proteins important for survival in human blood and also to identify additional roles of previously known virulence factors in aiding survival in blood. In addition the tiling array analysis demonstrated that Nm expresses a set of new transcripts, not previously identified, and suggests the presence of a circuit of regulatory RNA elements used by Nm to adapt to proliferate in human blood.

Untersuchungen zur Regulation der Trehalaseaktivität bei der Wanderheuschrecke Locusta migratoria

Flugfähige Insekten sind äußerst leistungsfähige Tiere. Ihre Flugmuskulatur ist das Gewebe mit der höchsten ATP-Umsatzrate im Tierreich. Der hohe Energieumsatz ist möglich durch einen vollständig aeroben Stoffwechsel der Flugmuskulatur, der durch die effiziente Sauerstoffversorgung über das Tracheensystem gewährleistet wird. Andererseits haben Insekten einen offenen Blutkreislauf, d.h. ihre Gewebe werden nicht über Kapillaren mit Substraten versorgt, sondern von der Hämolymphe umspült, die daher eine hohe Konzentration an energieliefernden Substraten haben muss. Als schnell verfügbares Substrat nutzen Wanderheuschrecken bei Beginn eines Fluges als Hauptsubstrat Trehalose, die in hoher Konzentration als Hämolymphzucker vorliegt (20 bis 40mal höhere Konzentration als Glucose). Trehalose ist, anders als Glucose, ein nicht-reduzierender Zucker und daher nicht toxisch. Allerdings muss das Disaccharid Trehalose zu Glucose hydrolysiert werden, bevor sie im Zellstoffwechsel verwertet werden kann. Diese Funktion erfüllt die Trehalase (EC 3.2.1.28), ein Enzym, das membrangebunden ist und nach Zellfraktionierung in der Mikrosomenfraktion erscheint. Es ist schon lange offensichtlich, dass die Aktivität der Trehalase regulierbar sein muss und zwar reversibel (eine Eigenschaft, die für Hydrolasen ungewöhnlich ist), der Mechanismus ist allerdings bislang nicht klar, da alle üblichen Typen von Aktivitätsregulation nicht verwirklicht zu sein scheinen. Die meisten Autoren vermuten, dass die Regulation über den Transport des Substrats erfolgt. Ein Trehalosetransporter konnte allerdings bisher in der Flugmuskulatur von Locusta nicht nachgewiesen werden. In dieser Arbeit stelle ich Experimente vor, die dafür sprechen, dass Trehalase als Ektoenzym aktiv ist (overte Form), während eine inaktive Form (latente Form) in Vesikeln im Cytoplasma vorliegt und per Exocytose reversibel in die Plasmamembran transloziert werden kann. Für die Testung dieser Arbeitshypothese nutzte ich Trehazolin, einen sehr spezifischen Inhibitor der Trehalase, der äußerst fest und dauerhaft im aktiven Zentrum des Enzyms bindet. Dazu war es nötig, die Flugmuskulatur zu fraktionieren, um die Effekte von Trehazolin auf die verschiedenen Formen der Trehalase (gebunden, löslich, overt, latent) zu analysieren. Mit der Arbeitshypothese vereinbar sind die folgenden Befunde: (1) In die Hämolymphe injiziertes Trehazolin hemmt bevorzugt die overte Trehalase und erst bei höheren Dosen und nach längerer Zeit die latente Form. (2) Trehazolin wirkt in hoher Dosis (50µg pro Tier) auch nach Verfütterung, allerdings stark abgeschwächt, da nach 24 Stunden ein signifikanter Effekt nur auf die overte, aber nicht auf die latente Form sichtbar war. (3) In einem Langzeitversuch über 30 Tage führte die einmalige Injektion von 20µg Trehazolin zu einer schnellen Hemmung der overten Trehalase, der eine verzögerte Hemmung der latenten Aktivität folgte. Der Zeitverlauf von Hemmung und Erholung spricht für eine Vorläufer-Produkt-Beziehung zwischen latenter und overter Form. (4) Flugaktivität der Tiere führt zu einer starken Verminderung der latenten Aktivität, falls Trehazolin in der Hämolymphe der Tiere vorhanden war. (5) Neuropeptide könnten die Translokation fördern. Insulin hat einen entsprechenden Effekt, der aber unabhängig ist von der Flugaktivität. (6) Der PI3-Kinasehemmstoff Wortmannin stabilisiert die latente Form der Trehalase. Auch andere Organe als die Flugmuskulatur besitzen Trehalase, aber mit deutlich geringerer Aktivität. In der Sprungmuskulatur könnte auch eine latente Form vorhanden sein, für Darm und Gehirn ist das nicht wahrscheinlich.

Spezifische Inhibition des Wnt-Signalwegs und die Analyse der Konsequenzen auf zellbiologischer Ebene

Der kanonische Wnt Signalweg ist durch Regulation einer Vielzahl von Zielgenen in unterschiedliche Prozesse wie Entwicklung, Wachstum und Differenzierung involviert. Fehlregulation des Signalwegs kann zur Tumorentstehung führen. Die exakte Rolle des Wnt Signalwegs und seiner Zielgene in der karzinogenen Kaskade ist noch nicht genau bekannt. In dieser Arbeit sollte die Beteiligung der Wnt Zielgene c-MYC, CCND1 (kodiert Cyclin D1) und VEGF an der Karzinogenese untersucht werden. Um die Funktionen der Wnt Zielgene und ihre zellulären Effekte unabhängig voneinander untersuchen zu können, wurden die Mengen der entsprechenden Transkriptionsprodukte durch siRNA (short interfering RNA) gezielt verringert. Die Konsequenzen der Inaktivierung wurden in Kolon- und Zervixkarzinomzelllinien untersucht, wobei die zellulären Parameter Proliferation, Apoptose, Metabolismus sowie Migration und Adhäsion untersucht wurden. Dabei konnte beobachtet werden, dass der Wnt Signalweg mit seinen Zielgenen Cyclin D1 und c-MYC die Proliferation mit dem Energiemetabolismus von Tumorzellen verknüpft. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass Cyclin D1 an der Regulation der zelluläre Migration und Adhäsion beteiligt ist, während VEGF die Apoptose abhängig vom zellulären Kontext inhibiert. Diese Ergebnisse liefern erste Hinweise auf die funktionelle Rolle der verschiedenen Zielgene im Prozess der Karzinogenese in Tumoren mit aktiviertem Wnt Signalweg. Damit ist diese Arbeit ein möglicher Ausgangspunkt für Studien mit dem Ziel der gezielten therapeutischen Beeinflussung des Wnt Signalwegs auf Ebene der Zielgene.

Identifizierung, Sequenzierung und Charakterisierung des Dmxl1-Gen in Mus musculus sowie die funktionelle Analyse durch Knock-Out

Identifizierung, Sequenzierung und Charakterisierung des Dmxl1-Gen in Mus musculus sowie die funktionelle Analyse durch Knock-OutrnrnBei Dmxl1 handelt es sich um ein neuartiges Gen aus Mus musculus. Das ebenfalls in der vorliegenden Arbeit bioinformatisch untersuchte Gen DMXL1 ist das zu Dmxl1 homologe Gen des Menschen. Beide Gene bestehen aus 43 Exons, das murine Dmxl1 codiert für eine mRNA von 10992 bp bzw. 12210 bp, das humane DMXL1 kodiert für eine cDNA von 11082 bp, der offene Leserahmen umfasst bei der Maus 9042 bp. In der Maus konnte ein mögliches alternatives Polyadenylierungssignal identifiziert werden. Zwischen beiden Spezies sind die Exonpositionen und ihre Längen hoch konserviert. Dmxl1 liegt auf dem Crick-Strang von Chromosom 18 Bande C, der translatierte Bereich erstreckt sich auf genomischer Ebene über 129558 bp und die Orientierung verläuft in Richtung Centromer. Dmxl1 und DMXL1 gehören damit zu den größten bekannten Genen in Maus und Mensch. Bei beiden Spezies liegen die DmX-Homologen genomisch innerhalb eines Bereichs der Isochoren-Klasse L1 in einer Gen-armen Region. Die Anzahl der repetitiven Elemente innerhalb der Genregion von Dmxl1 liegt 6% unter dem erwarteten Wert eines L1 Isochors, die Anzahl beim Menschen liegt 4% über dem erwarteten Wert. Um die mögliche Promotorstruktur von Dmxl1 darzustellen, wurden umfangreiche in silico-Analysen der Region um den putativen Transkriptionsstart vorgenommen. Mit Hilfe der gewonnenen Daten konnte ein Transkriptionstartpunkt identifiziert werden. Zudem wurde eine Promotorstruktur erarbeitet, bei der angenommen werden kann, dass sie eine gute Näherung an die tatsächlich vorhandenen Bindungsstellen von Transkriptionsfaktoren darstellt. Die mit bioinformatischen Werkzeugen erzeugte virtuelle Promotor- und Enhancerstruktur zeigt das Potenzial, Dmxl1 basal und ubiquitär zu exprimieren. Gleichzeitig zeigen diese Daten, dass Dmxl1 vermutlich in einigen Geweben der Keimbahn, im Fettgewebe, dem blutbildenen System und während der Embryogenese hochkomplex reguliert werden kann. Eine regulierte Expression zur Steuerung des Energiestoffwechsels ist ebenfalls wahrscheinlich. Diese Ergebnisse passen sehr gut zu den experimentell ermittelten Daten und den beobachteten Phänotypen Dmxl1-chimärer Mäuse.rnDie abgeleitete Aminosäuresequenz umfasst in der Maus 3013 AS, im Menschen 3027 AS, der Vergleich der abgeleiteten Aminosäuresequenzen zeigt eine Identität von 89,3 % und eine Similarität von 94,7 % zwischen beiden Spezies. Im Dmxl1/DMXL1-Protein von Maus und Mensch konnten mindestens 24 und maximal 36 WD-Wiederholungseinheiten identifiziert werden, zudem wurden eine Reihe weiterer konservierter Proteinmotive gefunden. Die in silico-Strukturanalysen beider abgeleiteter Aminosäuresequenzen lässt vermuten, dass sich C- und N-terminal WD-Propellerstrukturen befinden. In dieser Arbeit gelang eine C-terminale Rekonstruktion einer 10-blättrigen Propellerstruktur, denkbar ist jedoch auch eine Struktur mit mindestens drei WD-Propellern, wenn eine prädominante Struktur mit Propellern aus jeweils sieben Propellerblättern angenommen wird.rnDas primäre Ziel dieser Arbeit, die Etablierung einer stabilen Mauslinie mit diruptiertem Dmxl1-Gen konnte aufgrund einer beobachteten Haploinsuffizienz nicht erreicht werden. Trotz zahlreicher Transformationen von Maus-Stammzelllinien konnte letztlich nur eine stabil transformierte Linie mit einem Dmxl1-Null-Allel identifiziert werden, was auch zu den theoretischen Daten und den angenommenen Aufgaben von Dmxl1 als komplex und diffizil reguliertes Multifunktions-Protein passt. Aus der transformierten Mauszelllinie konnten chimäre Mäuse entwickelt werden, die in Abhängigkeit von dem Ausmaß des Chimärismus phänotypisch massive Schädigungen aufwiesen. Neben einer Teilsterilität wurden massive Fettleibigkeit und ein ausgeprägter Hypogonadismus beobachtet. Keines der Tiere war in der Lage das Dmxl1-Null-Allel zu transduzieren. Die Tiere waren nur sehr eingeschränkt fertil, die wenigen Nachkommen entsprachen genotypisch und phänotypisch ausschließlich den verwendeten Blastocysten.rn

Untersuchungen zur Wechselbeziehung zwischen Proteom, Energiestoffwechsel, Redoxstatus und Radiosensibilität von Tumorzellen in vitro und in vivo

Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war die Erforschung ursächlicher Unterschiede im Energiestoffwechsel von hoch- und niedrig-glykolytischen Tumorzelllinien. Darüber hinaus wurde die Hypothese überprüft, wonach eine hohe glykolytische Aktivität in Tumorzellen zu einer Anreicherung von antioxidativen Metaboliten führt und infolgedessen eine Therapieresistenz gegen Gammabestrahlung hervorruft. Abschließend sollte durch biochemische und gentechnische Manipulationen des Energie- bzw. Glukosestoffwechsels die Strahlenresistenz von Tumorzellen verändert und somit neue therapeutische Interventionen eröffnet werden.rnDie zur Klärung dieser Fragestellung erforderlichen molekularbiologischen Experimente erfolgten an jeweils zwei Ovarialkarzinomzelllinien (OC316 und IGROV-1) und zwei Plattenepithelkarzinomzelllinien der Kopf- und Halsregion (SAS und FaDu) sowie den entsprechenden Experimentaltumoren.rnUnabhängig von der Tumorentität und dem Tumormodell konnte gezeigt werden, dass eine erhöhte Expression Stoffwechsel-assoziierter Proteine mit einem gesteigerten Energiestoffwechsel einhergeht. Der Transfer der Ovarial- und Plattenepithelkarzinomzelllinien in das Mausmodell führte zu keiner grundsätzlichen Änderung des Tumormikromilieus. So wies die hoch-metabolische Linie OC316 in vitro und in vivo eine stark erhöhte MCT-4 Expression auf, deren gentechnische Inhibition jedoch zu keiner Reduktion der Glykolyserate führte.rnDie Hypothese, dass die Laktatproduktion als prädiktiver Marker für die Strahlenresistenz einer Tumorzelllinie fungiert, konnte nicht bestätigt werden. Jedoch führte die Manipulation der intrazellulären Laktatbildung und des Energiestoffwechsels mit nicht zelltoxischen Konzentrationen von 2-Deoxy-D-glukose (2DG) und Rotenon (ROT) bei den Ovarialkarzinomzelllinien zu einer Erhöhung der intrazellulären O2--Anionen, einer Zunahme der Strahlenempfindlichkeit sowie zur Steigerung der initialen und residualen DNA-Doppelstrangbrüche nach Gammabestrahlung.rnHierbei wirken 2DG und ROT synergistisch durch die Inhibierung antioxidativer Systeme sowie durch die Erhöhung des zellulären Radikal-Status. Die Anwendung von Stoffwechselmanipulatoren zur Optimierung und Unterstützung vorhandener Radikal-erzeugender Therapieformen wird aktuell in klinischen Studien überprüft. Translational könnte die durch 2DG und ROT beschriebene Erhöhung der Strahlenempfindlichkeit bei Ovarialkarzinomzelllinien z. B. in Kombination mit intensitätsmodulierten Strahlentherapien neue Behandlungsmöglichkeiten eröffnen, was in weiterführenden in vivo Studien zu überprüfen ist.rn

Unmittelbare, dauerhafte sowie evolutionäre Anpassung an Fremdstoffexpositionen

Eine der Hauptursachen für unerwünschte oder reduzierte Wirkungen von Medikamenten ist die Induktion von Enzymen und Transportern des Medikamentenstoffwechsels. Diese Induktion stellt ursprünglich eine physiologische Reaktion auf die Aufnahme von potentiell schädlichen Fremdstoffen aus der Umwelt dar und sichert so die Gesundheit und Fortpflanzungsfähigkeit von Lebewesen. Beim Menschen sowie anderen Säugetieren werden Fremdstoffe hauptsächlich von den nukleären Rezeptoren PXR und CAR in der Leber und im Dünndarm detektiert. Zu den Medikamenten, welche über PXR und CAR wirken, gehören unter anderem Antikonvulsiva, Statine, antiretrovirale Medikamente, Glucocorticoide sowie Antimykotika. Die durch Fremdstoffe aktivierten Transkriptionsfaktoren PXR und CAR steigern die Menge der Enzyme und Transporter des Fremdstoffmetabolismus. Hierzu zählen vor allem die Cytochrom P450-Enzyme (Cyp-Enzyme) mit breitem Substratspektrum oder der Transporter MDR1, welcher eine Vielzahl von Substraten über Membranen transportiert. Durch die Biotransformation werden die induzierenden, lipophilen Substanzen so modifiziert, dass sie leichter über den Urin oder die Galle ausgeschieden werden können. \r\nDie Dauer der Induktion sollte auf die Zeit der Fremdstoffexposition beschränkt sein, um Störungen des endogenen Stoffwechsels zu vermindern. In dieser Arbeit werden jedoch Hinweise auf dauerhafte und sogar generationsübergreifende Effekte von Medikamenten in Mäusen geliefert. Nachkommen von Müttern, welche bereits vor ihrer Verpaarung einmalig mit TCPOBOP, einem Liganden des murinen CAR, injiziert wurden, hatten eine ungefähr 100-fach gesteigerte Genexpression von Cyp2b10. Auch gab es Expressionsänderungen von Genen, deren Produkte eine Rolle im Lipidstoffwechsel sowie bei Immunkrankheiten spielen. Eine Hochdurchsatz-RNA-Sequenzierung der injizierten Elterngeneration ergab außerdem dauerhafte Expressionsveränderungen anderer Gene des Medikamentenstoffwechsels sowie von Genen mit Verbindung zum Energiemetabolismus. \r\nBerücksichtigt man die enge evolutionäre Verwandtschaft der nukleären Rezeptoren CAR und PXR, sind Langzeitveränderungen auch für PXR möglich und wurden im Verlauf dieser Arbeit ebenfalls untersucht. Eine Hochdurchsatz-Sequenzierung ergab für Mäuse, welche mit dem PXR-Aktivator PCN induziert wurden, dass selbst noch drei Monate nach der Exposition Gene verändert exprimiert waren, welche im Zusammenhang mit Lebernekrosen stehen. Bei Nachkommen von PCN-injizierten Müttern wurden Gene unterschiedlich exprimiert, welche eine Rolle bei der Energiehomöostase sowie im Glukosestoffwechsel spielen. Im Erwachsenenalter sind bei diesen Nachkommen darüber hinaus noch Gene unterschiedlich exprimiert, deren Produkte eine Funktion in der Immunantwort haben. \r\nDa Erwachsene aufgrund ihrer Lebensdauer sowie der absoluten Krankheitshäufigkeit wesentlich öfter Kontakt mit Fremdstoffen haben, war medizinisch von besonderem Interesse, ob anhaltende Genexpressionsänderungen auch bei Erwachsenen zu beobachten sind. So konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass auch einmalig exponierte Adulttiere Gene dauerhaft verändert exprimieren und die Veränderungen im Medikamentenstoffwechsel an die nächste Generation übertrugen. \r\n\r\nBisher sind klinische Studien zur Risikobewertung von Medikamenten (Pharmakovigilanz) nicht generationsübergreifend angelegt. Diese Arbeit gibt Anstöße dafür, dass dies in Zukunft für viel mehr Medikamente notwendig werden könnte. Neben Veränderungen im Medikamentenstoffwechsel ergeben sich Nebenwirkungen von PXR- und CAR-Liganden vor allem aus ihrer Beteiligung an endogenen Stoffwechselwegen. Nach Aktivierung von CAR, welcher viele metabolische Stoffwechselwege steuert, treten beispielsweise Störungen des Energiestoffwechsels auf. Ein tieferes Verständnis der Rezeptoraktivität von CAR samt einer gezielten Modulierung seiner Aktivität würde wichtige Beiträge zum Verständnis der Regulation des Fremdstoffmetabolismus sowie der Entstehung von Nebenwirkungen durch eine Behandlung mit CAR-Liganden leisten. Dauerhafte Veränderungen endogener Stoffwechselwege könnten dann möglicherweise über eine pharmakologische Modulierung der CAR-Aktivität reduziert werden. \r\nZu diesem Zweck wurden im Verlauf dieser Arbeit die CAR-Rezeptoren der Amphibien (Xenopus tropicalis, Xenopus laevis) und Reptilien (Anolis carolinensis) erstmals kloniert, als Proteine exprimiert und charakterisiert. Vergleiche zwischen Tierarten ermöglichen ein besseres Verständnis von humanen Proteinen. Funktionelle Analysen ergaben Ähnlichkeiten des Xenopus laevis-CAR mit dem PXR der Säugetiere: eine niedrige basale Aktivität sowie eine starke Induzierbarkeit durch Liganden. In weiteren funktionellen Analysen wurden die Determinanten der basalen Aktivität des Xenopus laevis-CAR untersucht. Die basale Aktivität war nicht abhängig von der subzellulären Lokalisation, sondern ergab sich aus der Proteinstruktur, welche nur beim CAR der Landvertebraten in einer aktiven Konformation fixiert ist. Ähnlich dem PXR der Säugetiere besitzt CAR der Amphibien eine Aktivierungsdomäne, welche erst durch Ligandenbindung in eine aktive Konformation gebracht wird. Mutationen einzelner Aminosäuren zum jeweils humanen Homolog erhöhten die basale Aktivität des Xenopus laevis-CAR auf die des humanen Rezeptors. Diese Mutanten mit erhöhter basalen Aktivität zeigten eine verstärkte Interaktion mit dem Kofaktor PGC-1a, einem Regulator des Energiestoffwechsels bei Säugetieren. Die hepatischen Zielgene des CAR der Amphibien überlappen zum Teil mit den humanen Zielgenen und spielen ebenfalls eine Rolle im Energiestoffwechsel.

Signalerkennung und Signaltransduktion im DctA,DcuS-Sensor-Regulatorkomplex von Escherichia coli.

E. coli ist in der Lage unter aeroben sowie anaeroben Bedingungen C4-Dicarbonsäuren zur Energiekonservierung zu nutzen. Das DcuS/DcuR-Zweikomponentensystem detektiert diese und reguliert die Gene für den C4-Dicarboxylat-Transport und Metabolismus. Dabei hängt die Sensitivität der Sensorkinase DcuS für C4-Dicarbonsäuren von der Anwesenheit des aeroben Symporters DctA oder des anaeroben Antiporters DcuB ab. Diese bifunktionalen Transporter bilden mit DcuS über direkte Protein-Protein-Wechselwirkungen Sensoreinheiten. In dieser Arbeit wurden die Funktionen von DctA und DcuS im DctA/DcuS-Sensorkomplex analysiert. Mit DctA(S380D) wurde eine Variante des Transporters identifiziert, in der die regulatorische Eigenschaft von der katalytischen Funktion entkoppelt ist. Stämme von E. coli, die den DctA(S380D)/DcuS-Sensorkomplex enthielten, waren in der Lage C4-Dicarbonsäuren wahrzunehmen, obwohl die Transportfunktion von DctA inaktiviert war. Zudem wurden Unterschiede in den Substratspektren von DctA und DcuS festgestellt. Citrat, ein guter Effektor des DctA/DcuS-Sensorkomplexes, wurde durch DctA nicht gebunden oder transportiert. Anhand von Titrationsexperimenten mit variierenden DctA-Mengen wurde außerdem nachgewiesen, dass die Sensitivität von DcuS für seine Effektoren von der DctA-Konzentration abhängig ist. Es konnte gezeigt werden, dass DctA im DctA/DcuS-Sensorkomplex nicht an der Erkennung von C4-Dicarbonsäuren beteiligt ist. DcuS stellt die Signaleingangsstelle des Komplexes dar, während DctA durch seine Anwesenheit die Sensorkinase in eine funktionsbereite oder sensitive Form überführt, die auf Effektoren reagieren kann. Darüber hinaus wurde die Rolle der Transmembranhelices TM1 und TM2 von DcuS für die Funktion und Dimerisierung der Sensorkinase untersucht. Durch Sequenzanalysen wurden „SmallxxxSmall“-Motive, deren Relevanz als Dimerisierungsschnittstellen bereits in Transmembranhelices anderer Proteine nachgewiesen wurde, in TM1 sowie TM2 identifiziert. Die Homodimerisierung beider Transmembrandomänen wurde im GALLEX Two-Hybrid System nachgewiesen, wobei die TM2-TM2-Interaktion stärker war. Die Substitution G190A/G194A im SxxxGxxxG-Tandemmotiv von TM2 rief zudem einen deutlichen Funktionsverlust der Sensorkinase hervor. Dieser Aktivitätsverlust korrelierte mit Störungen der Homodimerisierung von TM2(G190A/G194A) sowie DcuS(G190A/G194A) bei bakteriellen Two-Hybrid Messungen im GALLEX- bzw. BACTH-System. Demzufolge agiert Transmembranhelix 2 mit seinem SxxxGxxxG-Sequenzmotiv als wesentliche Homodimerisierungsstelle in DcuS. Die Dimerisierung von DcuS ist essentiell für die Funktion der Histidinkinase. Zusätzlich wurde bei fluoreszenzmikroskopischen Studien durch Koexpression von DcuS bzw. DctA die zelluläre Kolokalisierung von DctA und DcuR mit DcuS sowie DauA mit DctA nachgewiesen. Die DctA/DcuS-Sensoreinheit kann demnach zum DauA/DctA/DcuS/DcuR-Komplex erweitert werden.

Evolutionäre Veränderungen in der Nutzung redox-aktiver Aminosäuren und ihre Ursachen

Gewebe, Zellen und speziell Zellkompartimente unterscheiden sich in ihrer Sauerstoffkonzentration, Stoffwechselrate und in der Konzentration an gebildeten reaktiven Sauerstoffspezies. Um eine mögliche Änderung in der Aminosäurennutzung durch den Einfluss von Sauerstoff und seinen reaktiven Spezies untersuchen zu können wurden, Bereiche bzw. Kompartimente der menschlichen Zelle definiert, die einen Referenzrahmen bildeten und bekannt dafür sind, einen relativ hohen Grad an reaktiven Sauerstoffspezies aufzuweisen. Aus dem Vergleich wurde deutlich, dass vor allem die beiden redox-aktiven und schwefeltragenden Aminosäuren Cystein und Methionin durch eine besondere Verteilung und Nutzung charakterisiert sind. Cystein ist hierbei diejenige Aminosäure mit den deutlichsten Änderungen in den fünf untersuchten Modellen der oxidativen Belastung. In all diesen Modellen war die Nutzung von Cystein deutlich reduziert, wohingegen Methionin in Proteinen des Mitochondriums und der Elektronentransportkette angereichert war. Dieser auf den ersten Blick paradoxe Unterschied zwischen Cystein und Methionin wurde näher untersucht, indem die differenzierte Methioninnutzung in verschiedenen Zellkompartimenten von Homo sapiens charakterisiert wurde.rnDie sehr leicht zu oxidierende Aminosäure Methionin zeigt ein ungewöhnliches Verteilungsmuster in ihrer Nutzungshäufigkeit. Entgegen mancher Erwartung wird Methionin in zellulären Bereichen hoher oxidativer Belastung und starker Radikalproduktion intensiv verwendet. Dieses Verteilungsmuster findet man sowohl im intrazellulären Vergleich, als auch im Vergleich verschiedener Spezies untereinander, was daraufhin deutet, dass es einen lokalen Bedarf an redox-aktiven Aminosäuren gibt, der einen sehr starken Effekt auf die Nutzungshäufigkeit von Methionin ausübt. Eine hohe Stoffwechselrate, die im Allgemeinen mit einer erhöhten Produktion von Oxidantien assoziiert wird, scheint ein maßgeblicher Faktor der Akkumulation von Methionin in Proteinen der Atmungskette zu sein. Die Notwendigkeit, oxidiertes Antioxidans wieder zu reduzieren, findet auch bei Methionin Anwendung, denn zu Methioninsulfoxid oxidiertes Methionin wird durch die Methioninsulfoxidreduktase wieder zu Methionin reduziert. Daher kann die spezifische Akkumulation von Methionin in Proteinen, die verstärkt reaktiven Sauerstoffspezies ausgesetzt sind, als eine systematische Strategie angesehen werden, um andere labile Strukturen vor ungewollter Oxidation zu schützen. rnDa Cystein in allen untersuchten Modellen der oxidativen Belastung und im Besonderen in Membranproteinen der inneren Mitochondrienmembran lebensspannenabhängig depletiert war, wurde dieses Merkmal näher untersucht. Deshalb wurde die Hypothese getestet, ob ein besonderer Redox-Mechanismus der Thiolfunktion für diese selektive Depletion einer im Allgemeinen als harmlos oder antioxidativ geltenden Aminosäure verantwortlich ist. Um den Effekt von Cysteinresten in Membranen nachzustellen, wurden primäre humane Lungenfibroblasten (IMR90) mit diversen Modellsubstanzen behandelt. Geringe Konzentrationen der lipophilen Substanz Dodecanthiol verursachten eine signifikante Toxizität in IMR90-Zellen, die von einer schnellen Zunahme an polyubiquitinierten Proteinen und anderen Indikatoren des proteotoxischen Stresses, wie Sequestosom 1 (P62), HSP70 und HSP90 begleitet wurde. Dieser Effekt konnte spezifisch der Chemie der Thiolfunktion in Membranen zugeordnet werden, da Dodecanol (DOH), Dodecylmethylsulfid (DMS), Butanthiol oder wasserlösliche Thiole weder eine cytotoxische Wirkung noch eine Polyubiquitinierung von Proteinen verursachten. Die Ergebnisse stimmen mit der Hypothese überein, dass Thiole innerhalb von biologischen Membranen als radikalische Kettentransferagentien wirken. Diese Eigenschaft wird in der Polymerchemie durch Nutzung von lipophilen Thiolen in hydrophoben Milieus technisch für die Produktion von Polymeren benutzt. Da die Thiylradikal-spezifische Reaktion von cis-Fettsäuren zu trans-Fettsäuren in 12SH behandelten Zellen verstärkt ablief, kann gefolgert werden, dass 12SH zellulär radikalisiert wurde. In lebenden Organismen kann demnach die Oxidation von Cystein die Schädigung von Membranen beschleunigen und damit Einfallstore für die laterale Radikalisierung von integralen Membranproteinen schaffen, welche möglicherweise der Langlebigkeit abträglich ist, zumindest, wenn sie in der inneren Mitochondrienmembran auftritt.