Gen knockdown der Metalloproteasen Meprin alpha 1, alpha 2 und beta im Zebrabärbling Danio rerio

Die Metalloproteasen Meprin α und β übernehmen Schlüsselfunktionen in vielen (patho-) physiologischenrnProzessen. So sind sie beteiligt an der Umstrukturierung der extrazellulären Matrix, an immunologischenrnReaktionen oder an entzündlichen Gewebserkrankungen. Die beiden Enzyme kommenrnhauptsächlich in den Bürstensaummembranen von Niere und Darm sowie in der Haut von Vertebratenrnvor. Für die Erforschung der biologischen Aktivität der Meprine wurde in dieser Arbeit der ModellorganismusrnDanio rerio verwendet, der vor allem durch die Möglichkeit der gentechnischen Manipulationrnprädestiniert ist. Im Fisch konnten drei homologe Enzyme (Meprin α1, α2 und β) nachgewiesenrnwerden. Während mRNA-Analysen eine nahezu ubiquitäre Verteilung der Meprine offenbarten,rnkonnte ich mittels spezifischer Antikörper die Expression auf Proteinebene nachweisen. WährendrnMeprin α1 und β verstärkt im Darmepithel und in der Epidermis lokalisiert sind, konnte Meprinrnα2 ausschließlich in der Lamina propria des Darms identifiziert werden.rnDer Hauptteil der vorliegenden Arbeit zielt auf die spezifische Reduzierung des Expressionslevels derrnMeprine in Embryonen des Zebrabärblings. Dies wurde durch die Mikroinjektion von sogenanntenrnMorpholinos in die Zygote erzielt. Morpholinos sind RNA-Moleküle, die spezifisch an die mRNA desrnZielproteins binden können und die Translation verhindern. Die auftretenden Effekte durch das Fehlenrnder Meprine lassen so Rückschlüsse auf ihre physiologische Funktion zu. Nach der Injektion vonrnMorpholinos gegen Meprin α1 zeigten sich lediglich leichte epidermale Deformationen. Bei Meprin βrnhingegen kam es zu einer massiven Fehlbildung von Organen im Rumpf- und Schwanzbereich. Diesesrnführte zu erheblichen Defekten; die Embryonen starben innerhalb der ersten 24 Stunden nach derrnBefruchtung. Demzufolge müssen Meprin α1 und Meprin β insbesondere an der Gewebsdifferenzierungrnbeteiligt sein. Dies korreliert mit verschiedenen Experimenten, u.a. an knockout Mäusen, ausrndenen hervorgeht, dass die Prozessierung und Aktivierung der Cytokine Interleukin-1β oder Interleukin-rn18 durch Meprin β erfolgen kann.rnDie Injektion von Meprin α2-Morpholinos erbrachte ein weiteres, eindrucksvolles Ergebnis: Das Blutgefäßsystemrnvon injizierten Embryonen war vollständig unterbrochen und es sammelten sich Erythrozytenrnim Bereich der Caudalvene an. Diese Phänotypen gleichen den knockdown-Experimenten mitrndem vascular endothelial growth factor VEGF-A, dem entscheidenden Wachstumsfaktor in der Angiogenesern(Blutgefäßbildung). Eine Inkubation des humanen VEGF-A mit (humanem) rekombinantemrnMeprin α bzw. β führte zu einer differenzierten Prozessierung des Moleküls. Diese Ergebnisse legenrnnahe, dass Meprin α pro-angiogenetisch wirkt, indem es VEGF-A prozessiert und damit die Gefäßbildungrnaktiviert. Aus den Daten dieser Arbeit wird die hohe Signifikanz der Meprine für die Proliferationrnund Differenzierung spezieller Gewebe deutlich, welche somit eine wichtige Grundlage für Studienrnan höheren Vertebraten darstellt.

Funktionelle Charakterisierung der Metalloendopeptidasen Meprin alpha und Meprin beta unter besonderer Berücksichtigung pathologischer Umstände in der menschlichen Dermis

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei neuentdeckte Astacin-ähnliche-Proteasen LAST undrnLAST_MAM aus dem Pfeilschwanzkrebs Limulus polyphemus funktionell charakterisiert.rnInsbesondere LAST_MAM, eignet sich zur phylogenetischen Untersuchung, hinsichtlich derrnEvolution von Astacin-ähnlichen-Proteasen mit MAM-Domäne, zu denen auch die Meprinernzählen. Es wurde deutlich, dass LAST_MAM nicht unmittelbar mit anderen Astacinen, diernüber eine MAM-Domäne verfügen, verwandt ist, und dass von einer divergenten Entwicklungrndieser Proteasen und der MAM-Domäne selbst ausgegangen werden muss.rnMeprin Metalloendopeptidasen werden in membrangebundener und sezernierter Form,rnvorwiegend in Epithelien aber auch in intestinalen Leukozyten und bestimmten Krebszellenrnexprimiert. Meprin

Funktionelle Analyse der Meprin-Metalloproteasen alpha und beta hinsichtlich ihrer physiologischen Regulation und biologischen Bedeutung

Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, ein besseres Verständnis der beiden Metalloproteasen Meprin α und β in ihrem proteolytischen Netzwerk hinsichtlich ihrer physiologischen Regulation durch endogene Inhibitoren, wie auch der biologischen Funktion von Meprin α für den Prozess der Angiogenese, zu erlangen. rnMit der Analyse des ersten identifizierten endogenen Meprin-Inhibitors Fetuin-A gelang die Bestimmung der Ki-Werte für Meprin α mit 4,2 x 10-5 M und 1,1 x 10-6 M für Meprin β. Des Weiteren konnte für Meprin β eine Schnittstelle im Fetuin-A validiert werden. Mit der Identifizierung von Cystatin C, einem Cystein-Protease-Inhibitor als endogener Inhibitor der Metalloprotease Meprin α, mit einem Ki-Wert von 8,5 x 10-6 M, wurden erstmals Proteasefamilie-übergreifende Inhibitionsmechanismen für Metalloproteasen offenbart.rnDie Analyse von drei potentiellen Meprin-Inhibitoren, identifiziert als Substrate in einem neuen Proteomics-Analyse-Verfahren terminal amine isotopic labeling of substrates (TAILS), ermöglichte die Charakterisierung von Elafin als spezifischen Meprin α-Inhibitor. Für Elafin ist es außerdem gelungen, die durch TAILS ermittelte Schnittstelle für Meprin α mittels Edman Sequenzierung zu validieren. Der secretory leukocyte peptidase inhibitor (SLPI), ein Elafin-Homolog, konnte als weiteres Meprin α-Substrat bestätigt werden. Außerdem gelang es, die Meprin α-Schnittstelle im SLPI zu validieren.rnEin weiteres Ziel dieser Arbeit war, ein besseres Verständnis der biologischen Funktion der Metalloprotease Meprin α zu erlangen. Hier konnte in vivo eine stark pro-angiogene Wirkung von Meprin α gezeigt werden und erstmals die Expression von Meprin α, jedoch nicht von Meprin β, in Endothelzellen nachgewiesen werden. Zugleich konnte mit der Analyse der durch die TAILS-Methode identifizierten pro-angiogenen Substrate vascular endothelial growth factor A (VEGF-A) und connective tissue growth factor (CTGF) der Regulationsmechanismus von Meprin α in der Angiogenese identifiziert werden. So ist Meprin α durch die Spaltung von CTGF in der Lage VEGF-A – gebunden und inhibiert im Komplex mit CTGF – durch proteolytische Spaltung von CTGF wieder freizusetzen. Somit wird die inhibierte VEGF-A-Aktivität wieder vollständig hergestellt. rnMit der Charakterisierung der ersten endogenen Meprin-Inhibitoren ist es gelungen, zu einem besseren Verständnis der endogenen Regulation der Meprine beizutragen und eine Proteasefamilie-übergreifende endogene Regulation aufzuzeigen. Mit der Entdeckung von Meprin α als pro-angiogene Protease und der Entschlüsselung des angiogenen Regulationsmechanismus konnte eine essentielle biologische Bedeutung dieser Protease beschrieben werden.rn

Absence of MyD88 results in enhanced TLR3-dependent phosphorylation of IRF3 and increased IFN-(beta) and RANTES production

Toll-like receptors are a group of pattern-recognition receptors that play a crucial role in "danger" recognition and induction of the innate immune response against bacterial and viral infections. TLR3 has emerged as a key sensor of viral dsRNA, resulting in the induction of the anti-viral molecule, IFN- . Thus, a clearer understanding of the biological processes that modulate TLR3 signaling is essential. Previous studies have shown that the TLR adaptor, Mal/TIRAP, an activator of TLR4, inhibits TLR3-mediated IFN- induction through a mechanism involving IRF7. In this study, we sought to investigate whether the TLR adaptor, MyD88, an activator of all TLRs except TLR3, has the ability to modulate TLR3 signaling. Although MyD88 does not significantly affect TLR3 ligand-induced TNF- induction, MyD88 negatively regulates TLR3-, but not TLR4-, mediated IFN- and RANTES production; this process is mechanistically distinct from that employed by Mal/TIRAP. We show that MyD88 inhibits IKK -, but not TBK1-, induced activation of IRF3. In doing so, MyD88 curtails TLR3 ligand-induced IFN- induction. The present study shows that while MyD88 activates all TLRs except TLR3, MyD88 also functions as a negative regulator of TLR3. Thus, MyD88 is essential in restricting TLR3 signaling, thereby protecting the host from unwanted immunopathologies associated with the excessive production of IFN- . Our study offers a new role for MyD88 in restricting TLR3 signaling through a hitherto unknown mechanism whereby MyD88 specifically impairs IKK -mediated induction of IRF3 and concomitant IFN- and RANTES production.

Alpha- versus beta-particle radiopeptide therapy in a human prostate cancer model (213Bi-DOTA-PESIN and 213Bi-AMBA versus 177Lu-DOTA-PESIN)

Recurrent prostate cancer presents a challenge to conventional treatment, particularly so to address micrometastatic and small-volume disease. Use of α-radionuclide therapy is considered as a highly effective treatment in such applications due to the shorter range and exquisite cytotoxicity of α-particles as compared with β-particles. (213)Bi is considered an α-emitter with high clinical potential, due to its short half-life (45.6 minutes) being well matched for use in peptide-receptor radionuclide α-therapy; however, there is limited knowledge available within this context of use. In this study, two novel (213)Bi-labeled peptides, DOTA-PEG(4)-bombesin (DOTA-PESIN) and DO3A-CH(2)CO-8-aminooctanoyl-Q-W-A-V-G-H-L-M-NH(2) (AMBA), were compared with (177)Lu (β-emitter)-labeled DOTA-PESIN in a human androgen-independent prostate carcinoma xenograft model (PC-3 tumor). Animals were injected with (177)Lu-DOTA-PESIN, (213)Bi-DOTA-PESIN, or (213)Bi-AMBA to determine the maximum tolerated dose (MTD), biodistribution, and dosimetry of each agent; controls were left untreated or were given nonradioactive (175)Lu-DOTA-PESIN. The MTD of (213)Bi-DOTA-PESIN and (213)Bi-AMBA was 25 MBq (0.68 mCi) whereas (177)Lu-DOTA-PESIN showed an MTD of 112 MBq (3 mCi). At these dose levels, (213)Bi-DOTA-PESIN and (213)Bi-AMBA were significantly more effective than (177)Lu-DOTA-PESIN. At the same time, (177)Lu-DOTA-PESIN showed minimal, (213)Bi-DOTA-PESIN slight, and (213)Bi-AMBA marked kidney damage 20 to 30 weeks posttreatment. These preclinical data indicate that α-therapy with (213)Bi-DOTA-PESIN or (213)Bi-AMBA is more efficacious than β-therapy. Furthermore, (213)Bi-DOTA-PESIN has a better safety profile than (213)Bi-AMBA, and represents a possible new approach for use in peptide-receptor radionuclide α-therapy treating recurrent prostate cancer.

Opioids trigger alpha 5 beta 1 integrin-mediated monocyte adhesion

Inflammatory reactions involve a network of chemical and molecular signals that initiate and maintain host response. In inflamed tissue, immune system cells generate opioid peptides that contribute to potent analgesia by acting on specific peripheral sensory neurons. In this study, we show that opioids also modulate immune cell function in vitro and in vivo. By binding to its specific receptor, the opioid receptor-specific ligand DPDPE triggers monocyte adhesion. Integrins have a key role in this process, as adhesion is abrogated in cells treated with specific neutralizing anti-alpha5beta1 integrin mAb. We found that DPDPE-triggered monocyte adhesion requires PI3Kgamma activation and involves Src kinases, the guanine nucleotide exchange factor Vav-1, and the small GTPase Rac1. DPDPE also induces adhesion of pertussis toxin-treated cells, indicating involvement of G proteins other than Gi. These data show that opioids have important implications in regulating leukocyte trafficking, adding a new function to their known effects as immune response modulators.

Amino acid sequence of the alpha subunit and computer modelling of the alpha and beta subunits of echicetin from the venom of Echis carinatus (saw-scaled viper)

Echicetin, a heterodimeric protein from the venom of Echis carinatus, binds to platelet glycoprotein Ib (GPIb) and so inhibits platelet aggregation or agglutination induced by various platelet agonists acting via GPIb. The amino acid sequence of the beta subunit of echicetin has been reported and found to belong to the recently identified snake venom subclass of the C-type lectin protein family. Echicetin alpha and beta subunits were purified. N-terminal sequence analysis provided direct evidence that the protein purified was echicetin. The paper presents the complete amino acid sequence of the alpha subunit and computer models of the alpha and beta subunits. The sequence of alpha echicetin is highly similar to the alpha and beta chains of various heterodimeric and homodimeric C-type lectins. Neither of the fully reduced and alkylated alpha or beta subunits of echicetin inhibited the platelet agglutination induced by von Willebrand factor-ristocetin or alpha-thrombin. Earlier reports about the inhibitory activity of reduced and alkylated echicetin beta subunit might have been due to partial reduction of the protein.

Two alpha subunits and one beta subunit of meprin zinc-endopeptidases are differentially expressed in the zebrafish Danio rerio

Meprins are members of the astacin family of metalloproteases expressed in epithelial tissues, intestinal leukocytes and certain cancer cells. In mammals, there are two homologous subunits, which form complex glycosylated disulfide-bonded homo- and heterooligomers. Both human meprin alpha and meprin beta cleave several basement membrane components, suggesting a role in epithelial differentiation and cell migration. There is also evidence that meprin beta is involved in immune defence owing to its capability of activating interleukin-1beta and the diminished mobility of intestinal leukocytes in meprin beta-knockout mice. Here we show for the first time by reverse transcription PCR, immunoblotting and immunofluorescence analyses that meprins are expressed not only in mammals, but also in the zebrafish Danio rerio. In contrast to the human, mouse and rat enzymes, zebrafish meprins are encoded by three genes, corresponding to two homologous alpha subunits and one beta subunit. Observations at both the mRNA and protein level indicate a broad distribution of meprins in zebrafish. However, there are strikingly different expression patterns of the three subunits, which is consistent with meprin expression in mammals. Hence, D. rerio appears to be a suitable model to gain insight into the basic physiological functions of meprin metalloproteases.

The alpha and beta subunits of the metalloprotease meprin are expressed in separate layers of human epidermis, revealing different functions in keratinocyte proliferation and differentiation

The zinc endopeptidase meprin (EC 3.4.24.18) is expressed in brush border membranes of intestine and kidney tubules, intestinal leukocytes, and certain cancer cells, suggesting a role in epithelial differentiation and cell migration. Here we show by RT-PCR and immunoblotting that meprin is also expressed in human skin. As visualized by immunohistochemistry, the two meprin subunits are localized in separate cell layers of the human epidermis. Meprin alpha is expressed in the stratum basale, whereas meprin beta is found in cells of the stratum granulosum just beneath the stratum corneum. In hyperproliferative epidermis such as in psoriasis vulgaris, meprin alpha showed a marked shift of expression from the basal to the uppermost layers of the epidermis. The expression patterns suggest distinct functions for the two subunits in skin. This assumption is supported by diverse effects of recombinant meprin alpha and beta on human adult low-calcium high-temperature keratinocytes. Here, beta induced a dramatic change in cell morphology and reduced the cell number, indicating a function in terminal differentiation, whereas meprin alpha did not affect cell viability, and may play a role in basal keratinocyte proliferation.

Replacement of histidine in position 105 in the alpha(5) subunit by cysteine stimulates zolpidem sensitivity of alpha(5)beta(2)gamma(2) GABA(A) receptors

Zolpidem is a positive allosteric modulator of GABA(A) receptors with sensitivity to subunit composition. While it acts with high affinity and efficacy at GABA(A) receptors containing the alpha(1) subunit, it has a lower affinity to GABA(A) receptors containing alpha(2), alpha(3), or alpha(5) subunits and has a very weak efficacy at receptors containing the alpha(5) subunit. Here, we show that replacing histidine in position 105 in the alpha(5) subunit by cysteine strongly stimulates the effect of zolpidem in receptors containing the alpha(5) subunit. The side chain volume of the amino acid residue in this position does not correlate with the modulation by zolpidem. Interestingly, serine is not able to promote the potentiation by zolpidem. The homologous residues to alpha(5)H105 in alpha(1), alpha(2), and alpha(3) are well-known determinants of the action of classical benzodiazepines. Other studies have shown that replacement of these histidines alpha(1)H101, alpha(2)H101, and alpha(3)H126 by arginine, as naturally present in alpha(4) and alpha(6), leads to benzodiazepine insensitivity of these receptors. Thus, the nature of the amino acid residue in this position is not only crucial for the action of classical benzodiazepines but in alpha(5) containing receptors also for the action of zolpidem.

Stimulation-specific contribution of p38 and JNK to IFN-beta gene expression in human macrophages

Induction of interferon-beta (IFN-beta) gene expression is a tightly regulated process, and a plethora of studies identified the signal transduction pathway TANK-binding kinase-1 (TBK-1)/IFN regulatory factor-3 (IRF-3) as essential to the induction of IFN-beta gene expression. Data regarding the role of p38 and JNK are rare, however. We investigated the contribution of these kinases to IFN-beta expression in human macrophages treated with poly(I:C), lipopolysaccharide (LPS), Sendai virus, or vesicular stomatitis virus (VSV). We found that all the stimuli induced IFN-beta mRNA, albeit to a different extent. Whereas LPS and VSV induced the phosphorylation of p38 and JNK, neither poly(I:C) nor Sendai virus led to the detection of phosphospecific signals. When inhibiting p38, a VSV-triggered IFN-beta mRNA response was inhibited, whereas inhibiting JNK suppressed an LPS-triggered response, but only when macrophages were primed with IFN-gamma. Neither poly(I:C)-induced nor Sendai virus-induced IFN-beta mRNA expression was affected when p38 and JNK were inhibited. Collectively, the data show that the contribution of p38 and JNK to the expression of IFN-beta occurs in a stimulation-specific manner in human macrophages.