Innovative Strategies for the Synthesis of Biologically Active Small Molecules

The post genomic era, set the challenge to develop drugs that target an ever-growing list of proteins associated with diseases. However, an increase in the number of drugs approved every year is nowadays still not observed. To overcome this gap, innovative approaches should be applied in drug discovery for target validation, and at the same time organic synthetic chemistry has to find new fruitful strategies to obtain biologically active small molecules not only as therapeutic agents, but also as diagnostic tools to identify possible cellular targets. In this context, in view of the multifactorial mechanistic nature of cancer, new chimeric molecules, which can be either antitumor lead candidates, or valuable chemical tools to study molecular pathways in cancer cells, were developed using a multitarget-directed drug design strategy. According to this approach, the desired hybrid compounds were obtained by combining in a single chemical entity SAHA analogues, targeting histone deacetylases (HDACs), with substituted stilbene or terphenyl derivatives able to block cell cycle, to induce apoptosis and cell differentiation and with Sorafenib derivative, a multikinase inhibitor. The new chimeric derivatives were characterized with respect to their cytotoxic activity and their effects on cell cycle progression on leukemia Bcr-Abl-expressing K562 cell lines, as well as their HDACs inhibition. Preliminary results confirmed that one of the hybrid compounds has the desired chimeric profile. A distinct project was developed in the laboratory of Dr Spring, regarding the synthesis of a diversity-oriented synthesis (DOS) library of macrocyclic peptidomimetics. From a biological point of view, this class of molecules is extremely interesting but underrepresented in drug discovery due to the poor synthetic accessibility. Therefore it represents a valid challenge for DOS to take on. A build/couple/pair (B/C/P) approach provided, in an efficient manner and in few steps, the structural diversity and complexity required for such compounds.

Charakterisierung zellulärer Interaktionspartner des großen Hüllproteins des Hepatitis-B-Virus

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand das große L-Hüllprotein (L) des Hepatitis B - Virus. L bildet eine ungewöhnliche duale Topologie in der ER-Membran aus, welche auch im reifen Viruspartikel erhalten bleibt. In einem partiellen, posttranslationalen Reifungsprozess wird die sogenannte PräS-Region von der zytosolischen Seite der Membran aus in das ER-Lumen transloziert. Aufgrund seiner dualen Topologie und der damit verbundenen Multifunktionalität übernimmt L eine Schlüsselfunktion im viralen Lebenszyklus. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit lag deshalb darin, neue zelluläre Interaktionspartner des L-Hüllproteins zu identifizieren. Ihre Analyse sollte helfen, das Zusammenspiel des Virus mit der Wirtszelle besser zu verstehen. Hierfür wurde das Split - Ubiquitin Hefe - Zwei - Hybrid System eingesetzt, das die Interaktionsanalyse von Membranproteinen und Membran-assoziierten Proteinen ermöglicht. Zwei der neu identifizierten Interaktionspartner, der v-SNARE Bet1 und Sec24A, die Cargo-bindende Untereinheit des CoPII-vermittelten vesikulären Transports, wurden weitergehend im humanen Zellkultursystem untersucht. Sowohl für Bet1 als auch für Sec24A konnte die Interaktion mit dem L-Hüllprotein bestätigt und der Bindungsbereich eingegrenzt werden. Die Depletion des endogenen Bet1 reduzierte die Freisetzung L-haltiger, nicht aber S-haltiger subviraler Partikel (SVP) deutlich. Im Gegensatz zu Bet1 interagierte Sec24A auch mit dem mittleren M- und kleinen S-Hüllprotein von HBV. Die Inhibition des CoPII-vermittelten vesikulären Transportweges durch kombinierte Depletion der vier Sec24 Isoformen blockierte die Freisetzung sowohl L- als auch S-haltiger SVP. Dies bedeutet, dass die HBV - Hüllproteine das ER CoPII-vermittelt verlassen, wobei sie aktiv Kontakt zur Cargo-bindenden Untereinheit Sec24A aufnehmen. Der effiziente Export der Hüllproteine aus dem ER ist für die Virusmorphogenese und somit für den HBV - Lebenszyklus essentiell. rnEin weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit basierte auf der Interaktion des L-Hüllproteins mit dem ER-luminalen Chaperon BiP. In der vorliegenden Arbeit wurde überprüft, ob BiP, ähnlich wie das zytosolische Chaperon Hsc70, an der Ausbildung der dualen Topologie des L-Hüllproteins beteiligt ist. Hierfür wurde BiP durch die ektopische Expression seiner Ko-Chaperone BAP und ERdj4 in seiner Substrat-bindenen Kapazität manipuliert. ERdj4, ein Mitglied der Hsp40 - Proteinfamilie, stimuliert die ATPase-Aktivität von BiP, was die Substratbindung stabilisiert. Der Nukleotid - Austauschfaktor BAP hingegen vermittelt die Auflösung des BiP - Substrat - Komplexes. Die Auswirkung der veränderten in vivo-Aktivität von BiP auf die posttranslationale PräS-Translokation wurde mit Proteaseschutz - Versuchen untersucht. Die ektopische Expression des positiven als auch des negativen Regulators von BiP resultierte in einer drastischen Reduktion der posttranslationalen PräS-Translokation. Ein vergleichbarer Effekt wurde nach Manipulation des BiP ATPase - Zyklus durch Depletion der zellulären ATP - Konzentration beobachtet. Dies spricht dafür, dass das ER-luminale Chaperon BiP, zusammen mit Hsc70, eine zentrale Rolle in der Ausbildung der dualen Topologie des L-Hüllproteins spielt. rnZwei weitere Proteine, Sec62 und Sec63, die sich für die posttranslationale Translokation in der Hefe als essentiell erwiesen haben, wurden in die Analyse der dualen Topologie des L-Hüllproteins einbezogen. Interessanterweise konnte eine rein luminale Ausrichtung der PräS-Region nach kombinierter Depletion des endogenen Sec62 und Sec63 beobachtet werden. Dies deutet an, dass sowohl Sec62 als auch Sec63 an der Ausbildung der dualen Topologie des L-Hüllproteins beteiligt sind. In Analogie zur Posttranslokation der Hefe könnte Sec62 als Translokon-assoziierter Rezeptor für Substrate der Posttranslokation, und damit der PräS-Region, dienen. Sec63 könnte mit seiner J-Domäne BiP zum Translokon rekrutieren und daraufhin dessen Substrat-bindende Aktivität stimulieren. BiP würde dann, einer molekularen Ratsche gleich, die PräS-Region durch wiederholtes Binden und Freisetzen aktiv in das ER-Lumen hereinziehen, bis eine stabile duale Topologie des L-Hüllproteins ausgebildet ist. Die Bedeutung von Sec62 und Sec63 für den HBV - Lebenszyklus wird dadurch untermauert, dass sowohl die ektopische Expression als auch die Depletion des endogenen Sec63 die Freisetzung L-haltiger SVP deutlich reduziert. rn

Control of protein degradation pathways by BAG proteins and changes during aging

Many age-related neurodegenerative disorders such as Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease, amyotrophic lateral sclerosis and polyglutamine disorders, including Huntington’s disease, are associated with the aberrant formation of protein aggregates. These protein aggregates and/or their precursors are believed to be causally linked to the pathogenesis of such protein conformation disorders, also referred to as proteinopathies. The accumulation of protein aggregates, frequently under conditions of an age-related increase in oxidative stress, implies the failure of protein quality control and the resulting proteome instability as an upstream event of proteinopathies. As aging is a main risk factor of many proteinopathies, potential alterations of protein quality control pathways that accompany the biological aging process could be a crucial factor for the onset of these disorders.rnrnThe focus of this dissertation lies on age-related alterations of protein quality control mechanisms that are regulated by the co-chaperones of the BAG (Bcl-2-associated athanogene) family. BAG proteins are thought to promote nucleotide exchange on Hsc/Hsp70 and to couple the release of chaperone-bound substrates to distinct down-stream cellular processes. The present study demonstrates that BAG1 and BAG3 are reciprocally regulated during aging leading to an increased BAG3 to BAG1 ratio in cellular models of replicative senescence as well as in neurons of the aging rodent brain. Furthermore, BAG1 and BAG3 were identified as key regulators of protein degradation pathways. BAG1 was found to be essential for effective degradation of polyubiquitinated proteins by the ubiquitin/proteasome system, possibly by promoting Hsc/Hsp70 substrate transfer to the 26S proteasome. In contrast, BAG3 was identified to stimulate the turnover of polyubiquitinated proteins by macroautophagy, a catabolic process mediated by lysosomal hydrolases. BAG3-regulated protein degradation was found to depend on the function of the ubiquitin-receptor protein SQSTM1 which is known to sequester polyubiquitinated proteins for macroautophagic degradation. It could be further demonstrated that SQSTM1 expression is tightly coupled to BAG3 expression and that BAG3 can physically interact with SQSTM1. Moreover, immunofluorescence-based microscopic analyses revealed that BAG3 co-localizes with SQSTM1 in protein sequestration structures suggesting a direct role of BAG3 in substrate delivery to SQSTM1 for macroautophagic degradation. Consistent with these findings, the age-related switch from BAG1 to BAG3 was found to determine that aged cells use the macroautophagic system more intensely for the turnover of polyubiquitinated proteins, in particular of insoluble, aggregated quality control substrates. Finally, in vivo expression analysis of macroautophagy markers in young and old mice as well as analysis of the lysosomal enzymatic activity strongly indicated that the macroautophagy pathway is also recruited in the nervous system during the organismal aging process.rnrnTogether these findings suggest that protein turnover by macroautophagy is gaining importance during the aging process as insoluble quality control substrates are increasingly produced that cannot be degraded by the proteasomal system. For this reason, a switch from the proteasome regulator BAG1 to the macroautophagy stimulator BAG3 occurs during cell aging. Hence, it can be concluded that the BAG3-mediated recruitment of the macroauto-phagy pathway is an important adaptation of the protein quality control system to maintain protein homeostasis in the presence of an enhanced pro-oxidant and aggregation-prone milieu characteristic of aging. Future studies will explore whether an impairment of this adaptation process may contribute to age-related proteinopathies.

Development of strategies for vascular damage repair in Pulmonary Arterial Hypertension

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a progressive and rare disease with so far unclear pathogenesis, limited treatment options and poor prognosis. Unbalance of proliferation and migration in pulmonary arterial smooth muscle cells (PASMCs) is an important hallmark of PAH. In this research Sodium butyrate (BU) has been evaluated in vitro and in vivo models of PAH. This histone deacetylase inhibitor (HDACi) counteracted platelet-derived growth factor (PDGF)-induced ki67 expression in PASMCs, and arrested cell cycle mainly at G0/G1 phases. Furthermore, BU reduced the transcription of PDGFRbeta, and that of Ednra and Ednrb, two major receptors in PAH progression. Wound healing and pulmonary artery ring assays indicated that BU inhibited PDGF-induced PASMC migration. BU strongly inhibited PDGF-induced Akt phosphorylation, an effect reversed by the phosphatase inhibitor calyculinA. In vivo, BU showed efficacy in monocrotaline-induced PAH in rats. Indeed, the HDACi reduced both thickness of distal pulmonary arteries and right ventricular hypertrophy. Besides these studies, Serial Analysis of Gene Expression (SAGE) has be used to obtain complete transcriptional profiles of peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) isolated from PAH and Healthy subjects. SAGE allows quantitative analysis of thousands transcripts, relying on the principle that a short oligonucleotide (tag) can uniquely identify mRNA transcripts. Tag frequency reflects transcript abundance. We enrolled patients naïve for a specific PAH therapy (4 IPAH non-responder, 3 IPAH responder, 6 HeritablePAH), and 8 healthy subjects. Comparative analysis revealed that significant differential expression was only restricted to a hundred of down- or up-regulated genes. Interestingly, these genes can be clustered into functional networks, sharing a number of crucial features in cellular homeostasis and signaling. SAGE can provide affordable analysis of genes amenable for molecular dissection of PAH using PBMCs as a sentinel, surrogate tissue. Altogether, these findings may disclose novel perspectives in the use of HDACi in PAH and potential biomarkers.

Activity and mechanisms of action of novel organosulfur derivatives of the HDAC inhibitor Valproic Acid in human experimental models of non-small-cell lung cancer

Non-small-cell lung cancer (NSCLC) represents the leading cause of cancer death worldwide, and 5-year survival is about 16% for patients diagnosed with advanced lung cancer and about 70-90% when the disease is diagnosed and treated at earlier stages. Treatment of NSCLC is changed in the last years with the introduction of targeted agents, such as gefitinib and erlotinib, that have dramatically changed the natural history of NSCLC patients carrying specific mutations in the EGFR gene, or crizotinib, for patients with the EML4-ALK translocation. However, such patients represent only about 15-20% of all NSCLC patients, and for the remaining individuals conventional chemotherapy represents the standard choice yet, but response rate to thise type of treatment is only about 20%. Development of new drugs and new therapeutic approaches are so needed to improve patients outcome. In this project we aimed to analyse the antitumoral activity of two compounds with the ability to inhibit histone deacethylases (ACS 2 and ACS 33), derived from Valproic Acid and conjugated with H2S, in human cancer cell lines derived from NSCLC tissues. We showed that ACS 2 represents the more promising agent. It showed strong antitumoral and pro-apoptotic activities, by inducing membrane depolarization, cytocrome-c release and caspase 3 and 9 activation. It was able to reduce the invasive capacity of cells, through inhibition of metalloproteinases expression, and to induce a reduced chromatin condensation. This last characteristic is probably responsible for the observed high synergistic activity in combination with cisplatin. In conclusion our results highlight the potential role of the ACS 2 compound as new therapeutic option for NSCLC patients, especially in combination with cisplatin. If validated in in vivo models, this compound should be worthy for phase I clinical trials.

Involvement of the opioid system and BDNF in neuroplastic alterations occurring in neuropathic pain conditions

Chronic pain affects one in five adults, reducing quality of life and increasing risk of developing co-morbidities such as depression. Neuropathic pain results by lesions to the nervous system that alter its structure and function leading to spontaneous pain and amplified responses to noxious and innocuous stimuli. The Opioid System is probably the most important system involved in control of nociceptive transmission. Dynorphin and nociceptin systems have been suggested key mediators of some neuropathic pain aspects. An important role also for BDNF has been recently suggested since its involvement in the peripheral and central sensitization phenomena is known. We studied neuroplastic alterations occurring in chronic pain in mice subjected to the chronic constriction injury (CCI). We investigated gene expression alterations of both BDNF and Opioid System at spinal level at different intervals of time. A transient upregulation of pBDNF and pDYN was observed in spinal cord, while increasing upregulation of ppN/OFQ was found in the DRGs of injured mice. Development of neuropathic behavioral signs has been observed in ICR/CD-1 and BDNF+/+ mice, subjected to CCI. A different development of these signs was observed in BDNF+/-. We also studied gene expression changes of investigated systems in different brain areas fourteen days after surgery. We found pBDNF, pDYN, pKOP, ppN/OFQ and pNOP gene expression alterations in several areas of CCI mice. In the same brain regions we also determined bioactive nociceptin peptide levels, and elevated N/OFQ levels were observed in the amygdala area. Histone modifications studies have been performed in BDNF and DYN gene promoters of CCI animal spinal cord showing selected alterations in pDYN gene promoter. In addition, a preliminary characterization of the innovative NOP-EGFP mice was performed. Overall, our results could be useful to understand which and how neuropeptidergic systems are involved in neuroplastic mechanism occurring in neuropathic pain.

Transcriptional dynamics of the human DMD locus

The human DMD locus encodes dystrophin protein. Absence or reduced levels of dystrophin (DMD or BMD phenotype, respectively) lead to progressive muscle wasting. Little is known about the complex coordination of dystrophin expression and its transcriptional regulation is a field of intense interest. In this work we found that DMD locus harbours multiple long non coding RNAs which orchestrate and control transcription of muscle dystrophin mRNA isoforms. These lncRNAs are tissue-specific and highly expressed during myogenesis, suggesting a possible role in tissue-specific expression of DMD gene isoforms. Their forced ectopic expression in human muscle and neuronal cells leads to a specific and negative regulation of endogenous dystrophin full lenght isoforms. An intriguing aspect regarding the transcription of the DMD locus is the gene size (2.4Mb). The mechanism that ensures the complete synthesis of the primary transcript and the coordinated splicing of 79 exons is still completely unknown. By ChIP-on-chip analyses, we discovered novel regions never been involved before in the transcription regulation of the DMD locus. Specifically, we observed enrichments for Pol II, P-Ser2, P-Ser5, Ac-H3 and 2Me-H3K4 in an intronic region of 3Kb (approximately 21Kb) downstream of the end of DMD exon 52 and in a region of 4Kb spanning the DMD exon 62. Interestingly, this latter region and the TSS of Dp71 are strongly marked by 3Me-H3K36, an histone modification associated with the regulation of splicing process. Furthermore, we also observed strong presence of open chromatin marks (Ac-H3 and 2Me-H3K4) around intron 34 and the exon 45 without presence of RNA pol II. We speculate that these two regions may exert an enhancer-like function on Dp427m promoter, although further investigations are necessary. Finally, we investigated the nuclear-cytoplasmic compartmentalization of the muscular dystrophin mRNA and, specifically, we verified whether the exon skipping therapy could influence its cellular distribution.

In vitro study of the osteocytes response to hypoxia and their regulation of bone homeostasis

Bone remodelling is a fundamental mechanism for removing and replacing bone during adaptation of the skeleton to mechanical loads. Skeletal unloading leads to severe hypoxia (1%O2) in the bone microenvironment resulting in imbalanced bone remodelling that favours bone resorption. Hypoxia, in vivo, is a physiological condition for osteocytes, 5% O2 is more likely physiological for osteocytes than 20% O2, as osteocytes are embedded deep inside the mineralized bone matrix. Osteocytes are thought to be the mechanosensors of bone and have been shown to orchestrate bone formation and resorption. Oxygen-deprived osteocytes seem undergo apoptosis and actively stimulate osteoclasts. Hypoxia and oxidative stress increase 150-kDa oxygen-regulated protein (ORP 150) expression in different cell types. It is a novel endoplasmic-reticulum-associated chaperone induced by hypoxia/ischemia. It well known that ORP 150 plays an important role in the cellular adaptation to hypoxia, as anti-apoptotic factor, and seems to be involved in osteocytes differentiations. The aims of the present study are 1) to determine the cellular and molecular response of the osteocytes at two different conditions of oxygen deprivation, 1% and 5% of O2 compared to the atmospheric oxygen concentration at several time points. 2) To clarify the role of hypoxic osteocytes in bone homeostasis through the detection of releasing of soluble factors (RANKL, OPG, PGE2 and Sclerostin). 3) To detect the activation of osteoclast and osteoblast induced by condition media collected from hypoxic and normoxic osteocytes. The data obtained in this study shows that hypoxia compromises the viability of osteocytes and induces apoptosis. Unlike in other cells types, ORP 150 in MLO-Y4 does not seem to be regulated early during hypoxia. The release of soluble factors and the evaluation of osteoclast and osteoblast activation shows that osteocytes, grown under severe oxygen deprivation, play a role in the regulation of both bone resorption and bone formation.

Untersuchungen zur Funktion multipler DnaJ-Proteine in dem Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803

Sowohl in Synechocystis sp. PCC 6803 als auch in anderen Cyanobakterien konnten multiple DnaJ-Proteine nachgewiesen werden, deren Funktion jedoch noch weitestgehend unverstanden ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Funktionen der multiplen DnaJ-Proteine von Synechocystis sp. charakterisiert. Das DnaJ-Protein, Sll0897 gehört aufgrund seiner Domänenstruktur zu den Typ I-Proteinen, Slr0093 und Sll1933 zu den Typ II-Proteinen und Sll0909, Sll1011, Sll1384 und Sll1666 zu den Typ III DnaJ-Proteinen. Durch Komplementationsstudien des E. coli ΔdnaJ-Stammes OD259 konnte eine Komplementation des Wachstumsdefekts bei höheren Temperaturen durch die Proteine Slr0093 und Sll0897 gezeigt werden. In Synechocystis war eine komplette Disruption von sll1933 nicht möglich, weshalb das Protein Sll1933 unter normalen Wachstumsbedingungen essentiell ist. Doppelte Insertionmutationen waren lediglich bei der Kombination der Gene sll0909 und sll1384 möglich. Untersuchungen des Wachstumsverhaltens der dnaJ-Disruptions-stämme unter Hitze- und Kältestressbedingungen zeigten, dass das Protein Sll0897 eine wichtige Funktion bei der Stressantwort in Synechocystis besitzt und unter Hitzestressbedingungen essentiell ist. Eine vollständige Deletion des Gens sll0897 war Synechocystis sp. bereits unter normalen Wachstumsbedingungen nicht möglich. Bei den für ein Wachstum mindestens notwendigen Domänen des Sll0897 handelt es sich um die charakteristische J-Domäne und die Glycin-Phenylalanin-reiche Domäne. Unter Hitzestressbedingungen ist das Volllängen-Protein Sll0897 für ein Wachstum essentiell. rnNeben den in vivo Wachstumsexperimenten wurde eine Methode zur heterologen Expression der sieben DnaJ-Proteine in E. coli und einer nativen Reinigung von Slr0093, Sll0897, Sll0909 und Sll1666 etabliert. Untersuchungen zur Thermostabilität der gereinigten Proteine zeigten für das Slr0093 und Sll1666 einen reversiblen Prozess, wodurch sie auch nach dem Hitzestress noch als Faltungshelfer fungieren können. Bei den Proteinen Sll0897 und Sll0909 ist der Prozess jedoch nicht reversibel, so dass sie nach Hitzestresseinwirkung neu synthetisiert oder durch Chaperoneinwirkung korrekt gefaltet werden müssen. Die Affinitäts-„Pull-Down“ Analysen lieferten keine klaren Hinweise auf die DnaK-Interaktionspartner der Proteine Slr0093, Sll0897, Sll0909 und Sll1666, weshalb weitere Untersuchungen notwendig sind. Mit Hilfe der Gelfiltrationsanalysen konnten die errechneten molaren Massen der Proteine Slr0093 und Sll1666 bestätigt und beide Proteine in einer monomeren Form nachgewiesen werden. Die DnaJ-Proteine Sll0897 und Sll0909 konnten in zwei oligomeren Zuständen detektiert werden. Analysen der ATPase-Aktivität des DnaK2-Proteins alleine und des DnaK2-Proteins zusammen mit den DnaJ-Proteinen Slr0093, Sll0897, Sll0909 und Sll1666 zeigten eine Steigerung der ATP-Hydrolyserate bei der Interaktion von DnaK und DnaJ, wobei Sll0897 die größte Steigerung der ATPase-Aktivität des DnaK2 induzierte.

The constitutive activation of the DNA damage response pathway is a novel therapeutic target in aggressive B-cell lymphoma

The recent finding that MYC-driven cancers are sensitive to inhibition of the DNA damage response (DDR) pathway, prompted us to investigate the role of DDR pathway as therapeutic target in diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL), which frequently overexpresses the MYC oncogene. In a preliminary immunohistochemical study conducted on 99 consecutive DLBCL patients, we found that about half of DLBCLs showed constitutive expression of the phosphorylated forms of checkpoint kinases (CHK) and CDC25c, markers of DDR activation, and of phosphorylated histone H2AX (γH2AX), marker of DNA damage and genomic instability. Constitutive γH2AX expression correlated with c-MYC levels and DDR activation, and defined a subset of tumors characterised by poor outcome. Next, we used the CHK inhibitor PF-0477736 as a tool to investigate whether the inhibition of the DDR pathway might represent a novel therapeutic approach in DLBCL. Submicromolar concentrations of PF-0477736 hindered proliferation in DLBCL cell lines with activated DDR pathway. These results were fully recapitulated with a different CHK inhibitor (AZD-7762). Inhibition of checkpoint kinases induced rapid DNA damage accumulation and apoptosis in DLBCL cell lines and primary cells. These data suggest that pharmacologic inhibition of DDR through targeting of CHK kinases may represent a novel therapeutic strategy in DLBCL. The second part of this work is the clinical, molecular and functional description of a paradigmatic case of primary refractory Burkitt lymphoma characterized by spatial intratumor heterogeneity for the TP53 mutational status, high expression levels of genomic instability and DDR activation markers, primary resistance to chemotherapy and exquisite sensitivity to DDR inhibitors.

Mechanismen der Resistenz und Sensitivierung von menschlichen malignen Melanomzellen gegenüber DNA-alkylierenden Zytostatika

Das metastasierende maligne Melanom ist durch eine geringe p53-Mutations-Rate und eine hohe Resistenz gegenüber Chemotherapie mit alkylierenden Agenzien wie Fotemustin (FM) und Temozolomid (TMZ) gekennzeichnet. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von p53 in der Resistenz von malignen Melanomzellen gegenüber FM untersucht und Möglichkeiten zur Sensitivierung von Melanomzellen gegenüber TMZ und FM aufgezeigt.rnAusgangspunkt war die Beobachtung, dass p53 Wildtyp (p53wt) Melanomzellen resistenter gegenüber FM sind als p53 mutierte (p53mt) Zellen. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass eine FM-Behandlung in p53wt Zellen eine Stabilisierung von p53 und eine Induktion des p53-Zielproteins p21 bewirkte. Mithilfe einer p53wt Zelllinie, welche einen p53 Knockdown trägt, konnte gezeigt werden, dass p53 für die geringe Apoptose-Rate nach FM-Behandlung verantwortlich ist. Eine Untersuchung der Interstrang-Crosslink (ICL)-Reparaturkapazität zeigte, dass p53mt Zellen im Gegensatz zu p53wt Zellen nicht in der Lage sind, FM-induzierte ICL zu reparieren. Dies ging mit einer im Vergleich zu p53wt Zellen starken DNA-Schadensantwort einher. Die Gene für die Proteine DDB2 und XPC wurden als durch FM regulierte DNA-Reparatur-Gene identifiziert, deren Induktion p53-abhängig und lang anhaltend (bis zu 144 h) erfolgt. Da XPC Knockdown-Zellen sensitiver als ihre Kontrollzellen gegenüber FM reagierten, konnte die biologische Relevanz von XPC bei der ICL-Reparatur bestätigt werden. Anhand von Xenograft-Tumoren wurde gezeigt, dass FM auch in situ eine Induktion von DDB2 und XPC auslöst. Die Beobachtung, dass DNA-Reparatur-Gene nach FM-Behandlung hochreguliert werden, liefert eine Erklärung für das schlechte Ansprechen von Melanomen auf eine Therapie mit ICL-induzierenden Chemotherapeutika.rnDes Weiteren befasste sich die vorliegende Arbeit mit Möglichkeiten zur Sensitivierung von Melanomzellen gegenüber den Chemotherapeutika TMZ und FM. In diesem Zusammenhang wurde Valproinsäure (VPA), ein in der Epilepsie-Therapie verwendetes Medikament und Histondesacetylase (HDAC)-Hemmer, bezüglich der chemosensitivierenden Wirkung untersucht. Zunächst konnte der in der Literatur häufig beschriebene stabilisierende Effekt von VPA auf „wildtypisches“ p53-Protein und destabilisierende Effekt auf mutiertes p53-Protein bestätigt werden. Zwei der vier untersuchten Zelllinien konnten mithilfe von VPA gegenüber TMZ sensitiviert werden, während nur eine der vier untersuchten Zelllinien gegenüber FM sensitiviert werden konnte. VPA begünstigt die Induktion von Apoptose, während der Effekt auf die Induktion von Nekrose nur gering ausfiel. Eine Wirkung von VPA auf die Aktivität des Resistenz-vermittelnden Enzyms O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase (MGMT) wurde nicht beobachtet. Zudem wurde ausgeschlossen, dass die Sensitivierung gegenüber TMZ und FM, welche S-Phase abhängige Gentoxine sind, auf einer VPA-induzierten Erhöhung der Proliferation beruht. Mithilfe einer Zelllinie, welche stabil dominant-negatives FADD (Fas-associated death domain) exprimiert, konnten keine Hinweise auf eine Beteiligung des extrinsischen Apoptose-Signalwegs an der VPA-vermittelten Sensitivierung gewonnen werden. Gleichzeitig wurde gezeigt, dass VPA keine Induktion der niedrig exprimierten Procaspase-8 verursachte. Mithilfe eines PCR-Arrays wurden transaktivierende und –reprimierende Effekte von VPA auf die Genexpression gezeigt, wobei das proapoptotische Protein BAX (Breakpoint cluster-2-associated x protein) als ein in der Sensitivierung involviertes Kandidatengen identifiziert wurde. Obwohl eine vollständige Aufklärung der dem Sensitivierungseffekt von VPA zu Grunde liegenden Mechanismen nicht erbracht werden konnte, zeigen die in dieser Arbeit erlangten Beobachtungen einen vielversprechenden Weg zur Überwindung der Resistenz von Melanomzellen gegenüber DNA-alkylierenden Zytostatika auf.rn

Design and Synthesis of Naphthalene Diimides Based Small Molecules as Anticancer Agents: Targeting the Polyamine Transporter, G-quadruplex Structures and HDAC

Cancer is a multifactorial disease characterized by a very complex etiology. Basing on its complex nature, a promising therapeutic strategy could be based by the “Multi-Target-Directed Ligand” (MTDL) approach, based on the assumption that a single molecule could hit several targets responsible for the pathology. Several agents acting on DNA are clinically used, but the severe deriving side effects limit their therapeutic application. G-quadruplex structures are DNA secondary structures located in key zones of human genome; targeting quadruplex structures could allow obtaining an anticancer therapy more free from side effects. In the last years it has been proved that epigenetic modulation can control the expression of human genes, playing a crucial role in carcinogenesis and, in particular, an abnormal expression of histone deacetylase enzymes are related to tumor onset and progression. This thesis deals with the design and synthesis of new naphthalene diimide (NDI) derivatives endowed with anticancer activity, interacting with DNA together with other targets implicated in cancer development, such as HDACs. NDI-polyamine and NDI-polyamine-hydroxamic acid conjugates have been designed with the aim to provide potential MTDLs, in order to create molecules able simultaneously to interact with different targets involved in this pathology, specifically the G-quadruplex structures and HDAC, and to exploit the polyamine transport system to get selectively into cancer cells. Macrocyclic NDIs have been designed with the aim to improve the quadruplex targeting profile of the disubstituted NDIs. These compounds proved the ability to induce a high and selective stabilization of the quadruplex structures, together with cytotoxic activities in the micromolar range. Finally, trisubstituted NDIs have been developed as G-quadruplex-binders, potentially effective against pancreatic adenocarcinoma. In conclusion, all these studies may represent a promising starting point for the development of new interesting molecules useful for the treatment of cancer, underlining the versatility of the NDI scaffold.

Untersuchungen zur Chemosensitivität von testikulären Tumorzellen gegenüber Cisplatin

Metastasierender Krebs ist bei Erwachsenen in der Regel nicht heilbar. Eine Ausnahme stellen testikuläre Keimzelltumoren (TKZT) dar, da über 75 % der Patienten mit fortgeschrittenen metastasierenden TKZT mit einer auf Cisplatin basierenden Kombinations-Chemotherapie geheilt werden können. Zelllinien, die aus TKZT isoliert wurden, behalten diese Cisplatin-Sensitivität in vitro bei. Somit spiegeln Testistumorzelllinien die klinische Situation wider und sind deswegen ein gutes Modellsystem um zu untersuchen, welche Faktoren der Cisplatin-Sensitivität zugrunde liegen. Die Ursachen der Cisplatin-Sensitivität in Testistumoren sind nicht bekannt. Es wurde bereits gezeigt, dass Testistumorzellen eine geringe Kapazität für die Entfernung von Cisplatin-induzierten DNA-Platinierungen aufweisen. Dieser Defekt in der DNA-Reparatur könnte ein Faktor für die beobachtete Cisplatin-Sensitivität sein. Cisplatin induziert sowohl Intrastrang-Vernetzungen als auch Interstrang-Vernetzungen (ICLs). Die Bildung und Reparatur der Cisplatin-induzierten Intrastrang-Vernetzungen wurde mittels DNA-Slot-Blot, die Bildung und Entfernung von Interstrang-Vernetzungen wurde mithilfe des Comet-Assays untersucht. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass die Reparatur von Intrastrang-Vernetzungen in Testis- und Blasentumorzelllinien vergleichbar ist. Somit sind Testistumorzellen in diesem Reparaturweg nicht beeinträchtigt. Im Unterschied dazu zeigte sich, dass Testistumorzellen die ICLs nicht oder nur mit einer reduzierten Kapazität entfernen können.Da die ICL-Reparatur über die Bildung von DNA-Doppelstrangbrüchen (DSB) mit anschließender DSB-Reparatur verläuft, wurde die Kinetik der DSB-Reparatur anhand der Immundetektion der Histon-Variante γH2AX, die zur Visualisierung von DSB verwendet wird, verfolgt. γH2AX Foci wurden nach Behandlung mit Cisplatin in Testistumorzellen und Blasentumorzellen gebildet. Anders als in Blasentumorzellen blieb der Prozentsatz an γH2AX-positiven Zellen in Testistumorzellen bestehen. Offensichtlich konnten die Testistumorzellen die Cisplatin-induzierten ICLs nicht korrekt prozessieren, was dazu führte, dass γH2AX Foci persistierten. Da unreparierte DNA-Läsionen eine DNA-schadensabhängige Antwort einleiten können, wurde die Aktivierung der Hauptfaktoren dieser Signalwege untersucht. In den Testistumorzellen zeigte sich eine Erhöhung der p53 Proteinmenge nach Cisplatin-Behandlung. Des Weiteren wurde die durch Cisplatin induzierte Aktivierung von ATM/ATR, Chk1/Chk2, Bax und Noxa in Testis- und Blasentumorzellen vergleichend untersucht. Es wurde bereits gezeigt, dass der Reparaturfaktor ERCC1-XPF in Testistumorzelllinien reduziert vorliegt. Um eine mögliche Rolle von ERCC1-XPF für die Reparatur-Defizienz der ICLs und Cisplatin-Sensitivität in Testistumorzellen zu analysieren, wurde ERCC1-XPF in der Testistumorenzelllinie 833K mithilfe eines Expressionsvektors überexprimiert, und der Einfluss von ERCC1-XPF auf ICL-Reparatur sowie Cisplatin-Sensitivität wurde ermittelt. Überexpression von ERCC1-XPF führte zur Reparatur der ICLs in 833K-Zellen und verminderte die Cisplatinsensitivität. Somit scheint die Cisplatinsensitivität der Testistumorzellen, zumindest zum Teil, auf einer verminderten ICL-Reparatur zu beruhen. Des Weiteren wurde in „proof of principle“ Experimenten ERCC1-XPF in der Cisplatin-resistenten Blasentumorzelllinie MGH-U1 mittels siRNA herunterreguliert, und die Auswirkung der Herunterregulation auf die ICL-Reparatur und die Cisplatinsensitivität wurde geprüft. RNA-Interferenz-vermittelte Herunterregulierung von ERCC1-XPF reduzierte die Prozessierung der Cisplatin-induzierten ICLs und verstärkte die Cisplatinsensitivität in MGH-U1 Zellen. Somit wurde in dieser Arbeit zum ersten Mal gezeigt, dass die Testistumorzellen in Vergleich zu Blasentumorzellen in der Reparatur von ICLs defizient sind, wobei die verminderte ICL-Reparatur auf die geringe Expression von ERCC1-XPF zurückgeführt werden konnte. Diese ICL-Reparatur-Defizienz könnte, zumindest zu einem Teil, für die Sensitivität der Testistumoren gegenüber Cisplatin verantwortlich sein.

Charakterisierung einer pflanzlichen Variante des Cytoskelettproteins gamma-Tubulin durch Strukturmodellierung, Überexpression und Analyse der Interaktionspartner

Wie alle Eukaryoten besitzen auch höhere Pflanzen ein mikrotubuläres Cytoskelett. Einige Funktionen dieses Cytoskeletts sind relativ stark konserviert, andere dagegen scheinen sehr pflanzenspezifisch zu sein. Dies betrifft insbesondere charakteristische mikrotubuläre Netzwerke, die bei der Neubildung und der Verstärkung der Zellwände wichtige Rollen übernehmen. Wie der Aufbau dieser Netzwerke kontrolliert wird, ist bisher relativ unklar. Typische Mikrotubuli organisierende Zentren (MTOC), insbesondere Centrosomen oder Spindelpolkörper, sind bei höheren Pflanzen nicht beobachtet worden. Von pilzlichen und tierischen Organismen weiß man, dass gamma-Tubulin (gTUB) mit seinen assoziierten Proteinen in den MTOC bei der Nukleation von Mikrotubuli eine Schlüsselfunktion hat. Dieses Mitglied der Tubulin-Superfamilie wird aber auch in Pflanzen gefunden, dessen genaue Funktion bisher unbekannt ist. Zu Beginn der Arbeit wurden mittels in silico Berechnungen Strukturmodelle des pflanzlichen gTUBs aus Nicotiana tabacum erarbeitet, da die Struktur, die zu einem Verständnis der pflanzlichen Wachstumsregulation beitragen könnte, bisher unbekannt ist. Auf Grundlage der bioinformatischen Daten konnte für weitere Studien eine notwendige gTUB-Deletionsmutante entwickelt werden. Für Röntgendiffraktionsstudien und gTUB-Interaktionspartneranalysen war die Verfügbarkeit verhältnismäßig großer Proteinmengen notwendig. Die Expression der gTUB-Volllängensequenz in gelöster und aktiver Form stellte einen immanent wichtigen Zwischenschritt dar. Das Escherichia coli T7/lacO-Expressionssystem lieferte, trotz vielversprechender Erfolge in der Vergangenheit, kein gelöstes rekombinantes gTUB. So wurden zwar verhältnismäßig hohe Expressionsraten erzielt, aber das rekombinante gTUB lag quantitativ als Inclusion bodies vor. Eine Variationen der Expressionsparameter sowie umfangreiche Versuche mittels verschiedenster Konstrukte sowie potentiell die Löslichkeit erhöhenden Tags gTUB in gelöster Form in E. coli zu exprimieren blieben erfolglos. Eine Denaturierung der Inclusion bodies und Rückfaltung wurde aufgrund der wohl bei der Tubulinfaltung notwendigen komplexeren Chaperone sowie thermodynamischer Überlegungen ausgeschlossen. Die höher evolvierte Chaperonausstattung war ein Hauptgrund für die Verwendung der eukaryotischen Hefe-Expressionssysteme K. lactis und des S. cerevisiae-Stammes FGY217 zur gTUB-Expression. So konnten nach der Selektion nur transgene Hefe-Zellen dokumentiert werden, die die gTUB-Expressionskassette nachweislich an der vorgesehenen Zielposition in ihrem Genom integrierten, aber keine dokumentierbare Expression zeigten. Die wahrscheinlichste Begründung hierfür ist, dass ein erhöhter intrazellulärer gTUB-Titer mit dem Zellwachstum und der Zellteilung dieser eukaryotischen Organismen interferierte und durch Rückkopplungen die rekombinante gTUB-CDS aus N. tabacum ausgeschaltet wurde. Der Versuch einer transienten gTUB-Überexpression in differenzierten Blattgeweben höherer Pflanzen war eine logische Konsequenz aus den vorherigen Ergebnissen und lieferte, wenn auch nicht die für eine Proteinkristallisation notwendigen Mengen, gelöstes gTUB. Bestrebungen einer stabilen Transfektion von A. thaliana oder BY-2-Zellkulturen mit einer gTUB-CDS lieferten keine transgenen Organismen, was starke Interferenzen der rekombinanten gTUB-CDS in den Zellen vermuten lies. Transfektionsversuche mit nur GFP tragenden Konstrukten ergaben hingegen eine hohe Anzahl an transgenen Organismen, die auch verhältnismäßig starke Expressionsraten zeigten. Die erzielten Proteinmengen bei der transienten gTUB-Überexpression in N. benthamiana Blattgeweben, in Co-Expression mit dem Posttransriptional Gene Silencing-Suppressorprotein p19, waren für einen Pull-Down sowie eine massenspektroskopische Analyse der Interaktionspartner ausreichend und ergaben Befunde. Eine abschließende Auswertung des erarbeiteten massenspektroskopischen Datensatzes wird jedoch erst dann möglich sein, wenn das Tabak-Proteom vollständig sequenziert ist. Die Erweiterung der bestehenden pflanzlichen Vergleichsdatenbanken um das bisher bekannte Tabak-Proteom vervielfachte die Anzahl der in dieser Studie identifizierten gTUB-Interaktionspartner. Interaktionen mit dem TCP1-Chaperon untermauern die Hypothese der zur Faltung pflanzlichen gTUBs notwendigen Chaperone. Beobachtete gTUB-Degradationsmuster in Verbindung mit Interaktionen des 26S-Proteasoms deuten auf eine Gegenregulationen bei erhöhtem gTUB-Titer auf Proteinebene hin. Da Blattgewebe selbst nur noch über eine sehr geringe und inhomogene Teilungsaktivität verfügen ist diese Regulation hoch spannend. Auch konnte durch Co-Expression des PTGS-Suppressorproteins p19 gezeigt werden, dass bei der gTUB-Expression eine Regulation auf RNA-Ebene erfolgt.

Synthesis and characterization of hydroxyapatite modified with (9r)-9-hydroxystearic acid

(9R)-9-hydroxystearic acid (9R-HSA) has been proven to have antitumoral activity because it is shown to inhibit histone deacetylase 1, an enzyme which activates DNA replication, and the (R)-enantiomer has been shown to be more active than the (S)-enantiomer both in vitro and by molecular docking. Hydroxyapatite is the main mineral component of bone and teeth and has been used for over 20 years in prostheses and their coating because it is biocompatible and bioactive. The goal of incorporating 9R-HSA into hydroxyapatite is to have a material that combines the bioactivity of HA with the antitumoral properties of 9R-HSA. In this work, 9R-HSA and its potassium salt were synthesized and the latter was also incorporated into hydroxyapatite. The content of (R)-9-hydroxystearate ion incorporated into the apatitic structure was shown to be a function of its concentration in solution and can reach values higher than 8.5%. (9R)-9-hydroxystearic acid modified hydroxyapatite was extensively characterized to determine the effect of the incorporation of the organic molecule. This incorporation does not significantly alter the unit cell but reduces the size of both the crystals as well as the coherent domains, mainly along the a-axis of hydroxyapatite. This is believed to be due to the coordination of the negatively charged carboxylate group to the calcium ions which are more exposed on the (100) face of the crystal, therefore limiting the growth mainly in this direction. Further analyses showed that the material becomes hydrophobic and more negatively charged with the addition of 9R-HSA but both of these properties reach a plateau at less than 5% wt of 9R-HSA.