Biochemische Charakterisierung der Zyklin-abhängigen Kinase 2,Aktivator-Komplexe des Parasiten Eimeria tenella sowie deren Nutzung in der Wirkstoffforschung

Der Stamm der Apicomplexa ist eine artenreiche Gruppe, der einzellige, meist obligat intrazelluläre Parasiten angehören, darunter auch erstzunehmende Krankheitserreger wie Plasmodium sp. sowie tierpathogene Vertreter wie Eimeria sp. und Theileria sp. Eimeria sp. verursacht die Kokzidiose beim Huhn. Diese Krankheit bedingt weltweite Verluste in der Geflügelindustrie von etwa 3 Milliarden US$ pro Jahr [DALLOUL & LILLEHOJ, 2006; SHIRLEY et al., 2007; LUCIUS & LOOS-FRANK, 2008]. Die Parasiten weisen eine hohe Resistenzbildungsrate gegen vorhandene Wirkstoffe auf. Zudem ist der Einsatz von Vakzinen mit Nebenwirkungen verbunden und für hohe Produktionskosten verantwortlich. Daher ist die Entwicklung von neuen, kostengünstigen und effektiven Kokzidiostatika eine dringend notwendige Herausforderung [KINNAIRD et al., 2004]. rnAuf Grund ihrer essentiellen, regulatorischen Funktion im eukaryotischen Zellzyklus sind Zyklin-abhängige Kinasen (CDKs) validierte Zielproteine [LEHNINGER et al., 2005]. Auch Eimeria tenella CDC2-related kinase 2 (EtCRK2) wurde bereits mittels des bekannten CDK-Inhibitors Flavopiridol als Zielprotein chemisch validiert [ENGELS et al., 2010]. Wie bei allen CDKs ist die Aktivität von EtCRK2 abhängig von der Bindung eines Aktivators, der zur Zyklin-Proteinfamilie gehört. Dieser natürliche EtCRK2-Aktivator war jedoch bislang nicht bekannt. Deshalb war ein Teil dieser Arbeit die Identifizierung des natürlichen EtCRK2-Aktivators. Bioinformatische Analysen identifizierten vier E. tenella Zyklin-ähnliche Proteine (EtCYC1, EtCYC3a, EtCYC3b und EtCYC4), die nah verwandt zu den Plasmodium falciparum-Zyklinen sind [ENGELS et al., 2010; SUÁREZ FERNÁNDEZ et al., bislang unveröffentlichte Daten]. Im Rahmen dieser Arbeit konnten zwei neue Aktivatoren identifiziert und biochemisch charakterisiert werden: der bekannte CDK-Aktivator XlRINGO und das neue E. tenella-Zyklin EtCYC3a. Nachdem der nicht-radioaktive TR-FRET-Assay für die EtCRK2 etabliert und optimiert wurde, konnte die EtCRK2-Aktivität im Komplex mit beiden Aktivatoren und weitere wichtige kinetische Parameter bestimmt werden.rnZusätzlich wurde dieser Assay zum in vitro Screening einer kommerziellen Chemikalienbibliothek auf die EtCRK2 eingesetzt, um potentielle Inhibitoren für EtCRK2 zu identifizieren. Dieses in vitro Screening gefolgt von einer in silico Hit-Anreicherung identifizierte 19 aktive Verbindungen für die durch EtCYC3a und XlRINGO aktivierte EtCRK2. Zudem wurden drei Struktur-Cluster definiert: Naphthoquinone, 8-Hydroxyquinoline und 2-Pyrimidinyl-aminopiperidin-propan-2-ole. rnDie aktivsten Vertreter von jedem Cluster wurden als Leitstrukturen ausgewählt und auf EtCRK2 und HsCDK2 getestet. Aufgrund ihrer inhibierenden Wirkung auf EtCRK2 stellen diese Verbindungen viel versprechende Leitstrukturen für die Entwicklung eines neuen Antikokzidiums dar. Hiermit konnte auch gezeigt werden, dass BES124764, der Vertreter des 2-Pyrimidinyl-aminopiperidin-propan-2-ol-Clusters, in der Lage ist, die EtCRK2 selektiv zu inhibieren. rnDaher wird BES124764 sowie einige Derivate in den Leitstruktur-Optimierungsprozess für die Auffindung eines neuen Arzneimittelkandidaten gegen Kokzidiose eingehen.rn

3D-Elektronenmikroskopie dreier respiratorischer Proteine unter Verbesserung der bioinformatischen Abläufe

Die Transmissionselektronenmikroskopie gepaart mit bioinformatischen Methoden zur digitalen Bildverarbeitung ist ein schneller Weg zur Erstellung dreidimensionaler Rekonstruktionen großer Proteinkomplexe. Durch die Kombination der 3D-Elektronenmikroskopie mit der Röntgenstruktur von Untereinheiten erhält man ein pseudoatomares Modell der Quartärstruktur.rnIn dieser Arbeit wurden auf diese Weise die Quartärstrukturen von drei unterschiedlichen respiratorischen Proteinen analysiert (einem Hämoglobin und zwei Hämocyaninen). Zudem wurden spezielle Software-Tools entwickelt, um vorhandene Softwarepakete besser miteinander kombinieren zu können.rnDie ca. 15Å 3D-Rekonstruktion des Hämoglobins vom Wasserfloh Daphnia pulex klärt die umstrittene Frage, wie viele Untereinheiten die Quartärstruktur aufbauen: Es sind 16 (mit je zwei Häm-Domänen), angeordnet in zwei Schichten als D4-symmetrisches Sandwich. Die ca. 15 Å 3D-Rekonstruktion des 2x6meren Hämocyanins des Flusskrebses Astacus leptodactylus gibt neue Einblicke in die Kontaktstelle zwischen den beiden Hexameren; sie liegt im Bereich der Domäne 3. Bei dem aus 48 Untereinheiten bestehenden Hämocyanin des Pfeilschwanzes Limulus polyphemus wurde eine Auflösung von ca. 7 Å erreicht. Die Homologiemodelle der Untereinheiten wurden flexibel gefittet. An einer der Kontaktstellen zwischen den beiden Halbmolekülen wurden Molekulardynamik (MD)-Simulationen durchgeführt, um mehr über die Art der chemischen Bindung an dieser Kontaktstelle zu erfahren.rnSpeziell für die Kombination von 3D-Elektronenmikroskopie und MD-Simulation wurden verschiedene bioinformatische Werkzeuge und eine leicht zu erweiternde universelle grafische Benutzeroberfläche (GUI) entwickelt.

Medicalgenomics.org : an open source database and retrieval system for biomedical analysis

Die Molekularbiologie von Menschen ist ein hochkomplexes und vielfältiges Themengebiet, in dem in vielen Bereichen geforscht wird. Der Fokus liegt hier insbesondere auf den Bereichen der Genomik, Proteomik, Transkriptomik und Metabolomik, und Jahre der Forschung haben große Mengen an wertvollen Daten zusammengetragen. Diese Ansammlung wächst stetig und auch für die Zukunft ist keine Stagnation absehbar. Mittlerweile aber hat diese permanente Informationsflut wertvolles Wissen in unüberschaubaren, digitalen Datenbergen begraben und das Sammeln von forschungsspezifischen und zuverlässigen Informationen zu einer großen Herausforderung werden lassen. Die in dieser Dissertation präsentierte Arbeit hat ein umfassendes Kompendium von humanen Geweben für biomedizinische Analysen generiert. Es trägt den Namen medicalgenomics.org und hat diverse biomedizinische Probleme auf der Suche nach spezifischem Wissen in zahlreichen Datenbanken gelöst. Das Kompendium ist das erste seiner Art und sein gewonnenes Wissen wird Wissenschaftlern helfen, einen besseren systematischen Überblick über spezifische Gene oder funktionaler Profile, mit Sicht auf Regulation sowie pathologische und physiologische Bedingungen, zu bekommen. Darüber hinaus ermöglichen verschiedene Abfragemethoden eine effiziente Analyse von signalgebenden Ereignissen, metabolischen Stoffwechselwegen sowie das Studieren der Gene auf der Expressionsebene. Die gesamte Vielfalt dieser Abfrageoptionen ermöglicht den Wissenschaftlern hoch spezialisierte, genetische Straßenkarten zu erstellen, mit deren Hilfe zukünftige Experimente genauer geplant werden können. Infolgedessen können wertvolle Ressourcen und Zeit eingespart werden, bei steigenden Erfolgsaussichten. Des Weiteren kann das umfassende Wissen des Kompendiums genutzt werden, um biomedizinische Hypothesen zu generieren und zu überprüfen.

Weinproteine - Allergenität und Trubbildung

Wein ist eine komplexe Lösung bestehend aus verschiedensten Komponenten wie Alkohol, Polyphenolen, Polysacchariden, Sulfiten und auch Proteinen. Auch wenn Proteine nur in geringen Mengen im Wein enthalten sind, beeinflussen sie die Qualität maßgeblich. Hier ist zum einen deren potentielle Unverträglichkeit bis hin zur Allergie zu nennen, und zum anderen der Einfluss der Weinproteine auf die Trübung. Im Rahmen einer epidemiologischen Studie der Arbeitsgruppe Fronk/Decker wurde festgestellt, dass es in der Weinregion Mainz ein starkes Interesse gibt die Ursache einer Weinunverträglichkeit zu untersuchen. Für weiterführende Untersuchungen wurde im Rahmen meiner Arbeit das Lipid Transfer Protein (LTP), welches als einziges Allergen der Traube bekannt ist, aus Trauben und Wein in hohem Reinheitsgrad isoliert. Es konnte gezeigt werden, dass dessen Struktur bei der Weinherstellung nicht maßgeblich verändert wurde. In einer klinischen Studie mit 29 Probanden wurde die potentielle Allergenität von Weinproteinen, im Besonderen des LTPs untersucht. Allerdings konnte bei den untersuchten Probanden keine echte IgE-Antikörper-vermittelte Allergie auf das LTP nachgewiesen werden. Daher wird die Ursache der beschriebenen Unverträglichkeiten bei anderen Weininhaltsstoffen oder auch auf pollenassoziierten Kreuzreaktionen vermutet. Bei der Entstehung einer Weintrübung sind zahlreiche Inhaltstoffe beteiligt. Die Rolle der Proteine ist in diesem Zusammenhang noch nicht abschließend geklärt. In dieser Arbeit wurde die Komplexität der Proteinzusammensetzung in Abhängigkeit von Lage, Jahrgang, Rebsorte sowie Behandlungsmaßnahmen gezeigt. Hinsichtlich der Stabilisierung und Trübungsrelevanz der Weinproteine konnte mittels biochemischer, bioinformatischer und biophysikalischer Methoden gezeigt werden, dass nur ein Teil der im Wein enthaltenen Thaumatin-ähnlichen Proteine und Chitinasen an der Trubbildung beteiligt sind. Die Invertase hingegen denaturiert erst ab einer Temperatur von ca. 83 °C und aggregiert in der Trübung. Somit führt dieses Protein bei Wärmetests zu Bentonitbedarfsermittlung in diesem Temperaturbereich zu einer Überschätzung. Die Versuche zur temperaturabhängigen Aggregation von Proteinen zeigen, wie wichtig die Berücksichtigung der Umgebungsfaktoren bei der Trubbildung ist. So konnten unterschiedliche Wechselwirkungen im Puffer- und realen Weinsystem von potentiell trübungsstabilisierenden Polysacchariden mit den Weinproteinen detektiert werden. Für das Arabinogalactan beispielsweise wurde in den Versuchen im Weinsystem eine destabilisierende Wirkung gefunden, während es bei den Versuchen im Puffersystem eine positive Wirkung auf die Stabilisierung der Probe zeigte. Es zeigte sich, dass die verschiedenen Weininhaltsstoffe in einer komplexen Wechselwirkung zueinander stehen und somit eine molekulare Interpretation erschweren.

Characterisation of gp34, a GPI-anchored protein expressed by schizonts of Theileria parva and T. annulata

Using bioinformatics tools, we searched the predicted Theileria annulata and T. parva proteomes for putative schizont surface proteins. This led to the identification of gp34, a GPI-anchored protein that is stage-specifically expressed by schizonts of both Theileria species and is downregulated upon induction of merogony. Transfection experiments in HeLa cells showed that the gp34 signal peptide and GPI anchor signal are also functional in higher eukaryotes. Epitope-tagged Tp-gp34, but not Ta-gp34, expressed in the cytosol of COS-7 cells was found to localise to the central spindle and midbody. Overexpression of Tp-gp34 and Ta-gp34 induced cytokinetic defects and resulted in accumulation of binucleated cells. These findings suggest that gp34 could contribute to important parasite-host interactions during host cell division.

A multifactorial analysis of obesity as CVD risk factor: use of neural network based methods in a nutrigenetics context

Obesity is a multifactorial trait, which comprises an independent risk factor for cardiovascular disease (CVD). The aim of the current work is to study the complex etiology beneath obesity and identify genetic variations and/or factors related to nutrition that contribute to its variability. To this end, a set of more than 2300 white subjects who participated in a nutrigenetics study was used. For each subject a total of 63 factors describing genetic variants related to CVD (24 in total), gender, and nutrition (38 in total), e.g. average daily intake in calories and cholesterol, were measured. Each subject was categorized according to body mass index (BMI) as normal (BMI ≤ 25) or overweight (BMI > 25). Two artificial neural network (ANN) based methods were designed and used towards the analysis of the available data. These corresponded to i) a multi-layer feed-forward ANN combined with a parameter decreasing method (PDM-ANN), and ii) a multi-layer feed-forward ANN trained by a hybrid method (GA-ANN) which combines genetic algorithms and the popular back-propagation training algorithm.

ABCtoolbox: a versatile toolkit for approximate Bayesian computations

Background The estimation of demographic parameters from genetic data often requires the computation of likelihoods. However, the likelihood function is computationally intractable for many realistic evolutionary models, and the use of Bayesian inference has therefore been limited to very simple models. The situation changed recently with the advent of Approximate Bayesian Computation (ABC) algorithms allowing one to obtain parameter posterior distributions based on simulations not requiring likelihood computations. Results Here we present ABCtoolbox, a series of open source programs to perform Approximate Bayesian Computations (ABC). It implements various ABC algorithms including rejection sampling, MCMC without likelihood, a Particle-based sampler and ABC-GLM. ABCtoolbox is bundled with, but not limited to, a program that allows parameter inference in a population genetics context and the simultaneous use of different types of markers with different ploidy levels. In addition, ABCtoolbox can also interact with most simulation and summary statistics computation programs. The usability of the ABCtoolbox is demonstrated by inferring the evolutionary history of two evolutionary lineages of Microtus arvalis. Using nuclear microsatellites and mitochondrial sequence data in the same estimation procedure enabled us to infer sex-specific population sizes and migration rates and to find that males show smaller population sizes but much higher levels of migration than females. Conclusion ABCtoolbox allows a user to perform all the necessary steps of a full ABC analysis, from parameter sampling from prior distributions, data simulations, computation of summary statistics, estimation of posterior distributions, model choice, validation of the estimation procedure, and visualization of the results.

Combining spatial-temporal and phylogenetic analysis approaches for improved understanding on global H5N1 transmission

Background Since late 2003, the highly pathogenic influenza A H5N1 had initiated several outbreak waves that swept across the Eurasia and Africa continents. Getting prepared for reassortment or mutation of H5N1 viruses has become a global priority. Although the spreading mechanism of H5N1 has been studied from different perspectives, its main transmission agents and spread route problems remain unsolved. Methodology/Principal Findings Based on a compilation of the time and location of global H5N1 outbreaks from November 2003 to December 2006, we report an interdisciplinary effort that combines the geospatial informatics approach with a bioinformatics approach to form an improved understanding on the transmission mechanisms of H5N1 virus. Through a spherical coordinate based analysis, which is not conventionally done in geographical analyses, we reveal obvious spatial and temporal clusters of global H5N1 cases on different scales, which we consider to be associated with two different transmission modes of H5N1 viruses. Then through an interdisciplinary study of both geographic and phylogenetic analysis, we obtain a H5N1 spreading route map. Our results provide insight on competing hypotheses as to which avian hosts are responsible for the spread of H5N1. Conclusions/Significance We found that although South China and Southeast Asia may be the virus pool of avian flu, East Siberia may be the source of the H5N1 epidemic. The concentration of migratory birds from different places increases the possibility of gene mutation. Special attention should be paid to East Siberia, Middle Siberia and South China for improved surveillance of H5N1 viruses and monitoring of migratory birds.

Mitochondrial preprotein translocase of trypanosomatids has a bacterial origin

Mitochondria are found in all eukaryotic cells and derive from a bacterial endosymbiont [1, 2]. The evolution of a protein import system was a prerequisite for the conversion of the endosymbiont into a true organelle. Tom40, the essential component of the protein translocase of the outer membrane, is conserved in mitochondria of almost all eukaryotes but lacks bacterial orthologs [3-6]. It serves as the gateway through which all mitochondrial proteins are imported. The parasitic protozoa Trypanosoma brucei and its relatives do not have a Tom40-like protein, which raises the question of how proteins are imported by their mitochondria [7, 8]. Using a combination of bioinformatics and in vivo and in vitro studies, we have discovered that T. brucei likely employs a different import channel, termed ATOM (archaic translocase of the outer mitochondria! membrane). ATOM mediates the import of nuclear-encoded proteins into mitochondria and is essential for viability of trypanosomes. It is not related to Tom40 but is instead an ortholog of a subgroup of the 0mp85 protein superfamily that is involved in membrane translocation and insertion of bacterial outer membrane proteins [9]. This suggests that the protein import channel in trypanosomes is a relic of an archaic protein transport system that was operational in the ancestor of all eukaryotes.

Comparison of genomic and proteomic data in recurrent airway obstruction affected horses using Ingenuity Pathway Analysis(R)

BACKGROUND: Recurrent airway obstruction (RAO) is a severe chronic respiratory disease affecting horses worldwide, though mostly in the Northern hemisphere. Environmental as well as genetic factors strongly influence the course and prognosis of the disease. Research has been focused on characterization of immunologic factors contributing to inflammatory responses, on genetic linkage analysis, and, more recently, on proteomic analysis of airway secretions from affected horses. The goal of this study was to investigate the interactions between eight candidate genes previously identified in a genetic linkage study and proteins expressed in bronchoalveolar lavage fluid (BALF) collected from healthy and RAO-affected horses. The analysis was carried out with Ingenuity Pathway Analysis(R) bioinformatics software. RESULTS: The gene with the greatest number of indirect interactions with the set of proteins identified is Interleukin 4 Receptor (IL-4R), whose protein has also been detected in BALF. Interleukin 21 receptor and chemokine (C-C motif) ligand 24 also showed a large number of interactions with the group of detected proteins. Protein products of other genes like that of SOCS5, revealed direct interactions with the IL-4R protein. The interacting proteins NOD2, RPS6KA5 and FOXP3 found in several pathways are reported regulators of the NFkappaB pathway. CONCLUSIONS: The pathways generated with IL-4R highlight possible important intracellular signaling cascades implicating, for instance, NFkappaB. Furthermore, the proposed interaction between SOCS5 and IL-4R could explain how different genes can lead to identical clinical RAO phenotypes, as observed in two Swiss Warmblood half sibling families because these proteins interact upstream of an important cascade where they may act as a functional unit.

Utilization of Probabilistic Models in Short Read Assembly from Second-Generation Sequencing

With the advent of cheaper and faster DNA sequencing technologies, assembly methods have greatly changed. Instead of outputting reads that are thousands of base pairs long, new sequencers parallelize the task by producing read lengths between 35 and 400 base pairs. Reconstructing an organism’s genome from these millions of reads is a computationally expensive task. Our algorithm solves this problem by organizing and indexing the reads using n-grams, which are short, fixed-length DNA sequences of length n. These n-grams are used to efficiently locate putative read joins, thereby eliminating the need to perform an exhaustive search over all possible read pairs. Our goal was develop a novel n-gram method for the assembly of genomes from next-generation sequencers. Specifically, a probabilistic, iterative approach was utilized to determine the most likely reads to join through development of a new metric that models the probability of any two arbitrary reads being joined together. Tests were run using simulated short read data based on randomly created genomes ranging in lengths from 10,000 to 100,000 nucleotides with 16 to 20x coverage. We were able to successfully re-assemble entire genomes up to 100,000 nucleotides in length.