Analysis of the memory B cell response against glycoconjugate vaccines

The development of vaccines directed against polysaccharide capsules of S. pneumoniae, H. influenzae and N. meningitidis have been of great importance in preventing potentially fatal infections. Bacterial capsular polysaccharides are T-cell-independent antigens that induce specific antibody response characterized by IgM immunoglobulins, with a very low IgG class switched response and lack of capability of inducing a booster response. The inability of pure polysaccharides to induce sustained immune responses has required the development of vaccines containing polysaccharides conjugated to a carrier protein, with the aim to generate T cell help. It is clear that the immunogenicity of glycoconjugate vaccines can vary depending on different factors, e.g. chemical nature of the linked polysaccharide, carrier protein, age of the target population, adjuvant used. The present study analyzes the memory B cell (MBC) response to the polysaccharide and to the carrier protein following vaccination with a glycoconjugate vaccine for the prevention of Group B streptococcus (GBS) infection. Not much is known about the role of adjuvants in the development of immunological memory raised against GBS polysaccharides, as well as about the influence of having a pre-existing immunity against the carrier protein on the B cell response raised against the polysaccharide component of the vaccine. We demonstrate in the mouse model that adjuvants can increase the antibody and memory B cell response to the carrier protein and to the conjugated polysaccharide. We also demonstrate that a pre-existing immunity to the carrier protein favors the development of the antibody and memory B cell response to subsequent vaccinations with a glycoconjugate, even in absence of adjuvants. These data provide a useful insight for a better understanding of the mechanism of action of this class of vaccines and for designing the best vaccine that could result in a productive and long lasting memory response.

New mechanisms for modelling the motion of the human ankle complex

The relevance of human joint models was shown in the literature. In particular, the great importance of models for the joint passive motion simulation (i.e. motion under virtually unloaded conditions) was outlined. They clarify the role played by the principal anatomical structures of the articulation, enhancing the comprehension of surgical treatments, and in particular the design of total ankle replacement and ligament reconstruction. Equivalent rigid link mechanisms proved to be an efficient tool for an accurate simulation of the joint passive motion. This thesis focuses on the ankle complex (i.e. the anatomical structure composed of the tibiotalar and the subtalar joints), which has a considerable role in human locomotion. The lack of interpreting models of this articulation and the poor results of total ankle replacement arthroplasty have strongly suggested devising new mathematical models capable of reproducing the restraining function of each structure of the joint and of replicating the relative motion of the bones which constitute the joint itself. In this contest, novel equivalent mechanisms are proposed for modelling the ankle passive motion. Their geometry is based on the joint’s anatomical structures. In particular, the role of the main ligaments of the articulation is investigated under passive conditions by means of nine 5-5 fully parallel mechanisms. Based on this investigation, a one-DOF spatial mechanism is developed for modelling the passive motion of the lower leg. The model considers many passive structures constituting the articulation, overcoming the limitations of previous models which took into account few anatomical elements of the ankle complex. All the models have been identified from experimental data by means of optimization procedure. Then, the simulated motions have been compared to the experimental one, in order to show the efficiency of the approach and thus to deduce the role of each anatomical structure in the ankle kinematic behavior.

Molecular and functional characterization of the chemotactic genes in the PCBs-degrader Pseudomonas pseudoalcaligenes KF707

Although bacteria represent the simplest form of life on Earth, they have a great impact on all living beings. For example the degrader bacterium Pseudomonas pseudoalcaligenes KF707 is used in bioremediation procedures for the recovery of polluted sites. Indeed, KF707 strain is know for its ability to degrade biphenyl and polychlorinated biphenyls - to which is chemotactically attracted - and to tolerate the oxydative stress due to toxic metal oxyanions such as tellurite and selenite. Moreover, in bioremediation processes, target compounds can be easily accessible to KF707 through biofilm formation. All these considerations suggest that KF707 is such a unique microorganism and this Thesis work has been focused on determining the molecular nature of some of the peculiar physiological traits of this strain. The genome project provided a large set of informations: putative genes involved in the degradation of aromatic and toxic compounds and associated to stress response were identified. Notably, multiple chemotactic operons and cheA genes were also found. Deleted mutants in the cheA genes were constructed and their role in motility, chemotaxis and biofilm formation were assessed and compared to those previously attributed to a cheA1 gene in a KF707 mutant constructed by a mini-Tn5 transposon insertion and which was impaired in motility and biofilm development. The results of this present Thesis work, taken together, were interpreted to suggest that in Pseudomonas pseudoalcaligenes KF707 strain, multiple factors are involved in these networks and they might play different roles depending on the environmental conditions. The ability of KF707 strain to produce signal molecules possibly involved in cell-to-cell communication, was also investigated: lack of a lux-like QS system - which is conversely widely present in Gram negative bacteria – keeps open the question about the actual molecular nature of KF707 quorum sensing mechanism.

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

Kinetic modeling and experiments on gas uptake and chemical transformation of organic aerosol in the atmosphere

Aerosolpartikel beeinflussen das Klima durch Streuung und Absorption von Strahlung sowie als Nukleations-Kerne für Wolkentröpfchen und Eiskristalle. Darüber hinaus haben Aerosole einen starken Einfluss auf die Luftverschmutzung und die öffentliche Gesundheit. Gas-Partikel-Wechselwirkunge sind wichtige Prozesse, weil sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aerosolen wie Toxizität, Reaktivität, Hygroskopizität und optische Eigenschaften beeinflussen. Durch einen Mangel an experimentellen Daten und universellen Modellformalismen sind jedoch die Mechanismen und die Kinetik der Gasaufnahme und der chemischen Transformation organischer Aerosolpartikel unzureichend erfasst. Sowohl die chemische Transformation als auch die negativen gesundheitlichen Auswirkungen von toxischen und allergenen Aerosolpartikeln, wie Ruß, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Proteine, sind bislang nicht gut verstanden.rn Kinetische Fluss-Modelle für Aerosoloberflächen- und Partikelbulk-Chemie wurden auf Basis des Pöschl-Rudich-Ammann-Formalismus für Gas-Partikel-Wechselwirkungen entwickelt. Zunächst wurde das kinetische Doppelschicht-Oberflächenmodell K2-SURF entwickelt, welches den Abbau von PAK auf Aerosolpartikeln in Gegenwart von Ozon, Stickstoffdioxid, Wasserdampf, Hydroxyl- und Nitrat-Radikalen beschreibt. Kompetitive Adsorption und chemische Transformation der Oberfläche führen zu einer stark nicht-linearen Abhängigkeit der Ozon-Aufnahme bezüglich Gaszusammensetzung. Unter atmosphärischen Bedingungen reicht die chemische Lebensdauer von PAK von wenigen Minuten auf Ruß, über mehrere Stunden auf organischen und anorganischen Feststoffen bis hin zu Tagen auf flüssigen Partikeln. rn Anschließend wurde das kinetische Mehrschichtenmodell KM-SUB entwickelt um die chemische Transformation organischer Aerosolpartikel zu beschreiben. KM-SUB ist in der Lage, Transportprozesse und chemische Reaktionen an der Oberfläche und im Bulk von Aerosol-partikeln explizit aufzulösen. Es erforder im Gegensatz zu früheren Modellen keine vereinfachenden Annahmen über stationäre Zustände und radiale Durchmischung. In Kombination mit Literaturdaten und neuen experimentellen Ergebnissen wurde KM-SUB eingesetzt, um die Effekte von Grenzflächen- und Bulk-Transportprozessen auf die Ozonolyse und Nitrierung von Protein-Makromolekülen, Ölsäure, und verwandten organischen Ver¬bin-dungen aufzuklären. Die in dieser Studie entwickelten kinetischen Modelle sollen als Basis für die Entwicklung eines detaillierten Mechanismus für Aerosolchemie dienen sowie für das Herleiten von vereinfachten, jedoch realistischen Parametrisierungen für großskalige globale Atmosphären- und Klima-Modelle. rn Die in dieser Studie durchgeführten Experimente und Modellrechnungen liefern Beweise für die Bildung langlebiger reaktiver Sauerstoff-Intermediate (ROI) in der heterogenen Reaktion von Ozon mit Aerosolpartikeln. Die chemische Lebensdauer dieser Zwischenformen beträgt mehr als 100 s, deutlich länger als die Oberflächen-Verweilzeit von molekularem O3 (~10-9 s). Die ROIs erklären scheinbare Diskrepanzen zwischen früheren quantenmechanischen Berechnungen und kinetischen Experimenten. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der chemischen Transformation sowie in den negativen Gesundheitseffekten von toxischen und allergenen Feinstaubkomponenten, wie Ruß, PAK und Proteine. ROIs sind vermutlich auch an der Zersetzung von Ozon auf mineralischem Staub und an der Bildung sowie am Wachstum von sekundären organischen Aerosolen beteiligt. Darüber hinaus bilden ROIs eine Verbindung zwischen atmosphärischen und biosphärischen Mehrphasenprozessen (chemische und biologische Alterung).rn Organische Verbindungen können als amorpher Feststoff oder in einem halbfesten Zustand vorliegen, der die Geschwindigkeit von heterogenen Reaktionenen und Mehrphasenprozessen in Aerosolen beeinflusst. Strömungsrohr-Experimente zeigen, dass die Ozonaufnahme und die oxidative Alterung von amorphen Proteinen durch Bulk-Diffusion kinetisch limitiert sind. Die reaktive Gasaufnahme zeigt eine deutliche Zunahme mit zunehmender Luftfeuchte, was durch eine Verringerung der Viskosität zu erklären ist, bedingt durch einen Phasenübergang der amorphen organischen Matrix von einem glasartigen zu einem halbfesten Zustand (feuchtigkeitsinduzierter Phasenübergang). Die chemische Lebensdauer reaktiver Verbindungen in organischen Partikeln kann von Sekunden bis zu Tagen ansteigen, da die Diffusionsrate in der halbfesten Phase bei niedriger Temperatur oder geringer Luftfeuchte um Größenordnungen absinken kann. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen wie halbfeste Phasen die Auswirkung organischeer Aerosole auf Luftqualität, Gesundheit und Klima beeinflussen können. rn

Uptake mechanism, intracellular trafficking and endo-lysosomal pH monitoring of polystyrene nanoparticles

What is the intracellular fate of nanoparticles (NPs) taken up by the cells? This question has been investigated for polystyrene NPs of different sizes with a set of molecular biological and biophysical techniques.rnTwo sets of fluorescent NPs, cationic and non-ionic, were synthesized with three different polymerization techniques. Non-ionic particles (132 – 846 nm) were synthesized with dispersion polymerization in an ethanol/water solution. Cationic NPs with 120 nm were synthesized by miniemulsion polymerization Particles with 208, 267 and 603 nm were produced by seeding the 120 nm particle obtained by miniemulsion polymerization with drop-wise added monomer and polymerization of such. The colloidal characterization of all particles showed a comparable amount of the surface groups. In addition, particles were characterized with regard to their size, morphology, solid content, amount of incorporated fluorescent dye and zeta potential. The fluorescent intensities of all particles were measured by fluorescence spectroscopy for calibration in further cellular experiments. rnThe uptake of the NPs to HeLa cells after 1 – 24 h revealed a much higher uptake of cationic NPs in comparison to non-ionic NPs. If the same amount of NPs with different sizes is introduced to the cell, a different amount of particles is present in the cell medium, which complicates a comparison of the uptake. The same conclusion is valid for the particles’ overall surface area. Therefore, HeLa cells were incubated with the same concentration, amount and surface area of NPs. It was found that with the same concentration always the same polymer amount is taking up by cells. However, the amount of particles taken up decreases for the biggest. A correlation to the surface area could not be found. We conclude that particles are endocytosed by an excavator-shovel like mechanism, which does not distinguish between different sizes, but is only dependent on the volume that is taken up. For the decreased amount of large particles, an overload of this mechanism was assumed, which leads to a decrease in the uptake. rnThe participation of specific endocytotic processes has been determined by the use of pharmacological inhibitors, immunocytological staining and immunofluorescence. The uptake of NPs into the endo-lysosomal machinery is dominated by a caveolin-mediated endocytosis. Other pathways, which include macropinocytosis and a dynamin-dependent mechanism but exclude clathrin mediated endocytosis, also occur as competing processes. All particles can be found to some extent in early endosomes, but only bigger particles were proven to localize in late endosomes. No particles were found in lysosomes; at least not in lysosomes that are labeled with Lamp1 and cathepsin D. However, based on the character of the performed experiment, a localization of particles in lysosomes cannot be excluded.rnDuring their ripening process, vesicles undergo a gradual acidification from early over late endosomes to lysosomes. It is hypothesized that NPs in endo-lysosomal compartments experience the same change in pH value. To probe the environmental pH of NPs after endocytosis, the pH-sensitive dye SNARF-4F was grafted onto amino functionalized polystyrene NPs. The pH value is a ratio function of the two emission wavelengths of the protonated and deprotonated form of the dye and is hence independent of concentration changes. The particles were synthesized by the aforementioned miniemulsion polymerization with the addition of the amino functionalized copolymer AEMH. The immobilization of SNARF-4F was performed by an EDC-coupling reaction. The amount of physically adsorbed dye in comparison to covalently bonded dye was 15% as determined by precipitation of the NPs in methanol, which is a very good solvent for SNARF-4F. To determine influences of cellular proteins on the fluorescence properties, a intracellular calibration fit was established with platereader measurements and cLSM imaging by the cell-penetrable SNARF-4F AM ester. Ionophores equilibrated the extracellular and intracellular pH.rnSNARF-4F NPs were taken up well by HeLa cells and showed no toxic effects. The pH environment of SNARF-4F NPs has been qualitatively imaged as a movie over a time period up to 1 h in pseudo-colors by a self-written automated batch program. Quantification revealed an acidification process until pH value of 4.5 over 24 h, which is much slower than the transport of nutrients to lysosomes. NPs are present in early endosomes after min. 1 h, in late endosomes at approx. 8 h and end up in vesicles with a pH value typical for lysosomes after > 24 h. We therefore assume that NPs bear a unique endocytotic mechanism, at least with regards to the kinetic involvedrn

Funktionelle Analyse der onkologisch relevanten Protease Threonin-Aspartase 1

Krebs stellt eine der häufigsten Todesursachen in Europa dar. Grundlage für eine langfristige Verbesserung des Behandlungserfolgs ist ein molekulares Verständnis der Mechanismen, welche zur Krankheitsentstehung beitragen. In diesem Zusammenhang spielen Proteasen nicht nur eine wichtige Rolle, sondern stellen auch bei vielerlei Erkrankungen bereits anerkannte Zielstrukturen derzeitiger Behandlungsstrategien dar. Die Protease Threonin Aspartase 1 (Taspase1) spielt eine entscheidende Rolle bei der Aktivierung von Mixed Lineage Leukemia (MLL)-Fusionsproteinen und somit bei der Entstehung aggressiver Leukämien. Aktuelle Arbeiten unterstreichen zudem die onkologische Relevanz von Taspase1 auch für solide Tumore. Die Kenntnisse über die molekularen Mechanismen und Signalnetzwerke, welche für die (patho)biologischen Funktionen von Taspase1 verantwortlich sind, stellen sich allerdings noch immer als bruchstückhaft dar. Um diese bestehenden Wissenslücken zu schließen, sollten im Rahmen der Arbeit neue Strategien zur Inhibition von Taspase1 erarbeitet und bewertet werden. Zusätzlich sollten neue Einsichten in evolutionären Funktionsmechanismen sowie eine weitergehende Feinregulation von Taspase1 erlangt werden. Zum einen erlaubte die Etablierung und Anwendung eines zellbasierten Taspase1-Testsystem, chemische Verbindungen auf deren inhibitorische Aktivität zu testen. Überraschenderweise belegten solch zelluläre Analysen in Kombination mit in silico-Modellierungen eindeutig, dass ein in der Literatur postulierter Inhibitor in lebenden Tumorzellen keine spezifische Wirksamkeit gegenüber Taspase1 zeigte. Als mögliche Alternative wurden darüber hinaus Ansätze zur genetischen Inhibition evaluiert. Obwohl publizierte Studien Taspase1 als ααββ-Heterodimer beschreiben, konnte durch Überexpression katalytisch inaktiver Mutanten kein trans-dominant negativer Effekt und damit auch keine Inhibition des wildtypischen Enzyms beobachtet werden. Weiterführende zellbiologische und biochemische Analysen belegten erstmalig, dass Taspase1 in lebenden Zellen in der Tat hauptsächlich als Monomer und nicht als Dimer vorliegt. Die Identifizierung evolutionär konservierter bzw. divergenter Funktionsmechanismen lieferte bereits in der Vergangenheit wichtige Hinweise zur Inhibition verschiedenster krebsrelevanter Proteine. Da in Drosophila melanogaster die Existenz und funktionelle Konservierung eines Taspase1-Homologs postuliert wurde, wurde in einem weiteren Teil der vorliegenden Arbeit die evolutionäre Entwicklung der Drosophila Taspase1 (dTaspase1) untersucht. Obwohl Taspase1 als eine evolutionär stark konservierte Protease gilt, konnten wichtige Unterschiede zwischen beiden Orthologen festgestellt werden. Neben einem konservierten autokatalytischen Aktivierungsmechanismus besitzt dTaspase1 verglichen mit dem humanen Enzym eine flexiblere Substraterkennungs-sequenz, was zu einer Vergrößerung des Drosophila-spezifischen Degradoms führt. Diese Ergebnisse zeigen des Weiteren, dass zur Definition und Vorhersage des Degradoms nicht nur proteomische sondern auch zellbiologische und bioinformatische Untersuchungen geeignet und notwendig sind. Interessanterweise ist die differentielle Regulation der dTaspase1-Aktivität zudem auf eine veränderte intrazelluläre Lokalisation zurückzuführen. Das Fehlen von in Vertebraten hochkonservierten aktiven Kernimport- und nukleolären Lokalisationssignalen erklärt, weshalb dTaspase1 weniger effizient nukleäre Substrate prozessiert. Somit scheint die für die humane Taspase1 beschriebene Regulation von Lokalisation und Aktivität über eine Importin-α/NPM1-Achse erst im Laufe der Entwicklung der Vertebraten entstanden zu sein. Es konnte also ein bislang unbekanntes evolutionäres Prinzip identifiziert werden, über welches eine Protease einen Transport- bzw. Lokalisations-basierten Mechanismus zur Feinregulation ihrer Aktivität „von der Fliege zum Menschen“ nutzt. Eine weitere Möglichkeit zur dynamischen Funktionsmodulation bieten post-translationale Modifikationen (PTMs) der Proteinsequenz, zu welcher Phosphorylierung und Acetylierung zählen. Interessanterweise konnte für die humane Taspase1 über den Einsatz unabhängiger Methoden einschließlich massenspektrometrischer Analysen eine Acetylierung durch verschiedene Histon-Acetyltransferasen (HATs) nachgewiesen werden. Diese Modifikation erfolgt reversibel, wobei vor allem die Histon-Deacetylase HDAC1 durch Interaktion mit Taspase1 die Deacetylierung der Protease katalysiert. Während Taspase1 in ihrer aktiven Konformation acetyliert vorliegt, kommt es nach Deacetylierung zu einer Reduktion ihrer enzymatischen Aktivität. Somit scheint die Modulation der Taspase1-Aktivität nicht allein über intra-proteolytische Autoaktivierung, Transport- und Interaktionsmechanismen, sondern zudem durch post-translationale Modifikationen gesteuert zu werden. Zusammenfassend konnten im Rahmen dieser Arbeit entscheidende neue Einblicke in die (patho)biologische Funktion und Feinregulation der Taspase1 gewonnen werden. Diese Ergebnisse stellen nicht nur einen wichtigen Schritt in Richtung eines verbesserten Verständnis der „Taspase1-Biologie“, sondern auch zur erfolgreichen Inhibition und Bewertung der krebsrelevanten Funktion dieser Protease dar.

Critical role of regulatory T cells in Th17-mediated minor antigen-disparate rejection

Th17-mediated immune responses have been recently identified as novel pathogenic mechanisms in a variety of conditions; however, their importance in allograft rejection processes is still debated. In this paper, we searched for MHC or minor Ag disparate models of skin graft rejection in which Th17 immune responses might be involved. We found that T cell-derived IL-17 is critical for spontaneous rejection of minor but not major Ag-mismatched skin grafts. IL-17 neutralization was associated with a lack of neutrophil infiltration and neutrophil depletion delayed rejection, suggesting neutrophils as an effector mechanism downstream of Th17 cells. Regulatory T cells (Tregs) appeared to be involved in Th17 reactivity. We found that in vivo Treg depletion prevented IL-17 production by recipient T cells. An adoptive cotransfer of Tregs with naive monospecific antidonor T cells in lymphopenic hosts biased the immune response toward Th17. Finally, we observed that IL-6 was central for balancing Tregs and Th17 cells as demonstrated by the prevention of Th17 differentiation, the enhanced Treg/Th17 ratio, and a net impact of rejection blockade in the absence of IL-6. In conclusion, the ability of Tregs to promote the Th17/neutrophil-mediated pathway of rejection that we have described should be considered as a potential drawback of Treg-based cell therapy.

Gene expression of tumour necrosis factor and insulin signalling-related factors in subcutaneous adipose tissue during the dry period and in early lactation in dairy cows

Gene expression of adipose factors, which may be part of the mechanisms that underlie insulin sensitivity, were studied in dairy cows around parturition. Subcutaneous fat biopsies and blood samples were taken from 27 dairy cows in week 8 antepartum (a.p.), on day 1 postpartum (p.p.) and in week 5 p.p. In the adipose tissue samples, mRNA was quantified by real-time reverse transcription polymerase chain reaction for tumour necrosis factor alpha (TNFalpha), insulin-independent glucose transporter (GLUT1), insulin-responsive glucose transporter (GLUT4), insulin receptor, insulin receptor substrate 1 (IRS1), insulin receptor substrate 2 (IRS2), regulatory subunit of phosphatidylinositol-3 kinase (p85) and catalytic subunit of phosphatidylinositol-3 kinase. Blood plasma was assayed for concentrations of glucose, beta-hydroxybutyric acid, non-esterified fatty acids (NEFA) and insulin. Plasma parameters followed a pattern typically observed in dairy cows. Gene expression changes were observed, but there were no changes in TNFalpha concentrations, which may indicate its local involvement in catabolic adaptation of adipose tissue. Changes in GLUT4 and GLUT1 mRNA abundance may reflect their involvement in reduced insulin sensitivity and in sparing glucose for milk synthesis in early lactation. Unchanged gene expression of IRS1, IRS2 and p85 over time may imply a lack of their involvement in terms of insulin sensitivity dynamics. Alternatively, it may indicate that post-transcriptional modifications of these factors came into play and may have concealed an involvement.

Absence of histamine-induced nitric oxide release in the human radial artery: implications for vasospasm of coronary artery bypass vessels

Radial artery (RA) bypass grafts can develop severe vasospasm. As histamine is known to induce vasospasm, its effect on RA was assessed compared with the classic bypass vessels internal mammary artery (MA) and saphenous vein (SV). The vessels were examined in organ chambers for isometric tension recording. Histamine induced contractions on baseline; the sensitivity was higher in RA and SV than MA. After precontraction with norepinephrine, histamine did not evoke relaxations of RA but induced relaxations of MA and less of SV at lower concentrations; it induced contractions at higher concentrations, reaching similar levels in all three vessels. Indomethacin did not affect the response of MA and RA but potentiated relaxations and reduced contractions of SV. Endothelium removal, N(omega)-nitro-L-arginine methyl ester (L-NAME), or the H2-receptor blocker cimetidine did not affect the response of RA, but inhibited relaxations and enhanced contractions in MA and inhibited relaxations in SV; in the latter, only L-NAME enhanced contractions. Real-time PCR detected much lower expression of endothelial H2-receptor in RA than MA or SV. Western blots revealed similar endothelial nitric oxide (NO) synthase expression in all three vessels. Relaxations to acetylcholine were identical in RA and MA. Thus histamine releases NO by activating the endothelial H2-receptor, the expression of which is much lower in RA than MA or SV. H2-receptor activation also releases prostaglandins in SV, partially antagonizing NO. The lack of histamine-induced NO production represents a possible mechanism of RA vasospasm.

Transgenic system for conditional induction and rescue of chronic myocardial hibernation provides insights into genomic programs of hibernation

A key energy-saving adaptation to chronic hypoxia that enables cardiomyocytes to withstand severe ischemic insults is hibernation, i.e., a reversible arrest of contractile function. Whereas hibernating cardiomyocytes represent the critical reserve of dysfunctional cells that can be potentially rescued, a lack of a suitable animal model has hampered insights on this medically important condition. We developed a transgenic mouse system for conditional induction of long-term hibernation and a system to rescue hibernating cardiomyocytes at will. Via myocardium-specific induction (and, in turn, deinduction) of a VEGF-sequestering soluble receptor, we show that VEGF is indispensable for adjusting the coronary vasculature to match increased oxygen consumption and exploit this finding to generate a hypoperfused heart. Importantly, ensuing ischemia is tunable to a level at which large cohorts of cardiomyocytes are driven to enter a hibernation mode, without cardiac cell death. Relieving the VEGF blockade even months later resulted in rapid revascularization and full recovery of contractile function. Furthermore, we show that left ventricular remodeling associated with hibernation is also fully reversible. The unique opportunity to uncouple hibernation from other ischemic heart phenotypes (e.g., infarction) was used to determine the genetic program of hibernation; uncovering hypoxia-inducible factor target genes associated with metabolic adjustments and induced expression of several cardioprotective genes. Autophagy, specifically self-digestion of mitochondria, was identified as a key prosurvival mechanism in hibernating cardiomyocytes. This system may lend itself for examining the potential utility of treatments to rescue dysfunctional cardiomyocytes and reverse maladaptive remodeling.

Enhancement of heterologous expression of alkaline phytase in Pichia pastors

Phytic acid is the major storage form of phosphorus and inositol in seeds and legumes. It forms insoluble phytate salts by chelating with positively charged mineral ions. Non-ruminant animals are not able to digest phytate due to the lack of phytases in their GI tracks, thus the undigested phytate is excreted leading to environmental contamination. Supplementation with phytases in animal feed has proven to be an effective strategy to alleviate nutritional and environmental issues. The unique catalytic and thermal stability properties of alkaline phytase from lily pollen (LlALP) suggest that it has the potential to be useful as a feed supplement. Our goal is to develop a method for the production of substantial amounts of rLlALP for animal feed and structural studies. rLlALP2 has been successfully expressed in the yeast, Pichia pastoris. However, expression yield was modest (8-10 mg/L). Gene copy number has been identified as an important parameter in enhancing protein yields. Multicopy clones were selected using Zeocin-resistance-based vectors and challenging transformants to high Zeocin levels under different conditions. Data indicate that increasing selection pressure led to the generation of clones with amplification of both rLlAlp2 and Zeor genes and the two genes were not equally amplified. Additionally, clones generated by step-wise methods led to clones with greater amplification. The effects of transgene copy number and gene sequence optimization on expression levels of rLlALP2 were examined. The data indicate that increasing the copy number of rLlAlp2 in transformed clones was detrimental to expression level. The use of a sequence-optimized rLlAlp2 (op-rLlAlp2) increased expression yield of the active enzyme by 25-50%, suggesting that transcription and translation efficiency are not major bottlenecks in the production of rLlALP2. Lowering induction temperature to 20 oC led to an increase in enzyme activity of 1.2 to 20-fold, suggesting that protein folding or post-translational processes may be limiting factors for rLlALP2 production. Cumulatively, optimization of copy number, gene sequence optimization and reduced temperature led to increase of rLlALP2 enzyme activity by three-fold (25-30 mg/L). In an effort to simplify the purification process of rLlALP2, extracellular expression of phytase was investigated. Extracellular expression is dependent on the presence of an appropriate secretion signal upstream of the transgene native signal peptide(s) present in the transgene may also influence secretion efficiency. The data suggest that deletion of both N- and C-terminal signal peptides of rLlALP2 enhanced α-mating factor (α-MF)-driven secretion of LlALP2 by four-fold. The secretion signal peptide of chicken egg white lysozyme was ineffective in secretion rLlALP2 in P. pastoris. To enhance rLlALP2 secretion, effectiveness of the strong inducible promoter (PAOX1) was compared with the constitutive promoter (PGAP). The intracellular yield of rLlALP2 was about four-fold greater under the control of PGAP compared to PAOX1 and extracellular expression level of rLlALP2 was around eight-fold (75-100 mg/L) greater. The successful production of active rLlALP2 in P. pastoris will allow us to conduct the animal feed supplementation studies and structural studies.

EXPLORATION OF THE MTSAT2 SATELLITE CAPABILITIES FOR REAL TIME DETECTION AND CHARACTERIZATION OF VOLCANIC EMISSIONS

In this report, we attempt to define the capabilities of the infrared satellite remote sensor, Multifunctional Transport Satellite-2 (MTSAT-2) (i.e. a geosynchronous instrument), in characterizing volcanic eruptive behavior in the highly active region of Indonesia. Sulfur dioxide data from NASA's Ozone Monitoring Instrument (OMI) (i.e. a polar orbiting instrument) are presented here for validation of the processes interpreted using the thermal infrared datasets. Data provided from two case studies are analyzed specifically for eruptive products producing large thermal anomalies (i.e. lava flows, lava domes, etc.), volcanic ash and SO2 clouds; three distinctly characteristic and abundant volcanic emissions. Two primary methods used for detection of heat signatures are used and compared in this report including, single-channel thermal radiance (4-µm) and the normalized thermal index (NTI) algorithm. For automated purposes, fixed thresholds must be determined for these methods. A base minimum detection limit (MDL) for single-channel thermal radiance of 2.30E+05 Wm- 2sr-1m-1 and -0.925 for NTI generate false alarm rates of 35.78% and 34.16%, respectively. A spatial comparison method, developed here specifically for use in Indonesia and used as a second parameter for detection, is implemented to address the high false alarm rate. For the single-channel thermal radiance method, the utilization of the spatial comparison method eliminated 100% of the false alarms while maintaining every true anomaly. The NTI algorithm showed similar results with only 2 false alarms remaining. No definitive difference is observed between the two thermal detection methods for automated use; however, the single-channel thermal radiance method coupled with the SO2 mass abundance data can be used to interpret volcanic processes including the identification of lava dome activity at Sinabung as well as the mechanism for the dome emplacement (i.e. endogenous or exogenous). Only one technique, the brightness temperature difference (BTD) method, is used for the detection of ash. Trends of ash area, water/ice area, and their respective concentrations yield interpretations of increased ice formation, aggregation, and sedimentation processes that only a high-temporal resolution instrument like the MTSAT-2 can analyze. A conceptual model of a secondary zone of aggregation occurring in the migrating Kelut ash cloud, which decreases the distal fine-ash component and hazards to flight paths, is presented in this report. Unfortunately, SO2 data was unable to definitively reinforce the concept of a secondary zone of aggregation due to the lack of a sufficient temporal resolution. However, a detailed study of the Kelut SO2 cloud is used to determine that there was no climatic impacts generated from this eruption due to the atmospheric residence times and e-folding rate of ~14 days for the SO2. This report applies the complementary assets offered by utilizing a high-temporal and a high-spatial resolution satellite, and it demonstrates that these two instruments can provide unparalleled observations of dynamic volcanic processes.

Induction of Bim limits cytokine-mediated prolonged survival of neutrophils

Under inflammatory conditions, neutrophil apoptosis is delayed due to survival-factor exposure, a mechanism that prevents the resolution of inflammation. One important proinflammatory cytokine involved in the regulation of neutrophil survival/activation is granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF). Although GM-CSF mediates antiapoptotic effects in neutrophils, it does not prevent apoptosis, and the survival effect is both time dependent and limited. Here, we identified the proapoptotic Bcl-2 family member Bim as an important lifespan limiting molecule in neutrophils, particularly under conditions of survival factor exposure. Strikingly, GM-CSF induced Bim expression in both human and mouse neutrophils that was blocked by pharmacological inhibition of phosphatidylinositol-3 kinase (PI3K). Increased Bim expression was also seen in human immature bone marrow neutrophils as well as in blood neutrophils from septic shock patients; both cell populations are known to be exposed to GM-CSF under in vivo conditions. The functional role of Bim was investigated using Bim-deficient mouse neutrophils in the presence and absence of the survival cytokines interleukin (IL)-3 and GM-CSF. Lack of Bim expression resulted in a much higher efficacy of the survival cytokines to block neutrophil apoptosis. Taken together, these data demonstrate a functional role for Bim in the regulation of neutrophil apoptosis and suggest that GM-CSF and other neutrophil hematopoietins initiate a proapoptotic counterregulation that involves upregulation of Bim.

Dentin hypersensitivity: pain mechanisms and aetiology of exposed cervical dentin

OBJECTIVES The paper's aim is to review dentin hypersensitivity (DHS), discussing pain mechanisms and aetiology. MATERIALS AND METHODS Literature was reviewed using search engines with MESH terms, DH pain mechanisms and aetiology (including abrasion, erosion and periodontal disease). RESULTS The many hypotheses proposed for DHS attest to our lack of knowledge in understanding neurophysiologic mechanisms, the most widely accepted being the hydrodynamic theory. Dentin tubules must be patent from the oral environment to the pulp. Dentin exposure, usually at the cervical margin, is due to a variety of processes involving gingival recession or loss of enamel, predisposing factors being periodontal disease and treatment, limited alveolar bone, thin biotype, erosion and abrasion. CONCLUSIONS The current pain mechanism of DHS is thought to be the hydrodynamic theory. The initiation and progression of DHS are influenced by characteristics of the teeth and periodontium as well as the oral environment and external influences. Risk factors are numerous often acting synergistically and always influenced by individual susceptibility. CLINICAL RELEVANCE Whilst the pain mechanism of DHS is not well understood, clinicians need to be mindful of the aetiology and risk factors in order to manage patients' pain and expectations and prevent further dentin exposure with subsequent sensitivity.