Model for growth hormone receptor activation based on subunit rotation within a receptor dimer

Growth hormone is believed to activate the growth hormone receptor (GHR) by dimerizing two identical receptor subunits, leading to activation of JAK2 kinase associated with the cytoplasmic domain. However, we have reported previously that dimerization alone is insufficient to activate full-length GHR. By comparing the crystal structure of the liganded and unliganded human GHR extracellular domain, we show here that there is no substantial change in its conformation on ligand binding. However, the receptor can be activated by rotation without ligand by inserting a defined number of alanine residues within the transmembrane domain. Fluorescence resonance energy transfer ( FRET), bioluminescence resonance energy transfer (BRET) and coimmunoprecipitation studies suggest that receptor subunits undergo specific transmembrane interactions independent of hormone binding. We propose an activation mechanism involving a relative rotation of subunits within a dimeric receptor as a result of asymmetric placement of the receptor-binding sites on the ligand.

BDNF-TrkB Signaling in Single-Spine Structural Plasticity

Multiple lines of evidence reveal that activation of the tropomyosin related kinase B (TrkB) receptor is a critical molecular mechanism underlying status epilepticus (SE) induced epilepsy development. However, the cellular consequences of such signaling remain unknown. To this point, localization of SE-induced TrkB activation to CA1 apical dendritic spines provides an anatomic clue pointing to Schaffer collateral-CA1 synaptic plasticity as one potential cellular consequence of TrkB activation. Here, we combine two-photon glutamate uncaging with two photon fluorescence lifetime imaging microscopy (2pFLIM) of fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based sensors to specifically investigate the roles of TrkB and its canonical ligand brain derived neurotrophic factor (BDNF) in dendritic spine structural plasticity (sLTP) of CA1 pyramidal neurons in cultured hippocampal slices of rodents. To begin, we demonstrate a critical role for post-synaptic TrkB and post-synaptic BDNF in sLTP. Building on these findings, we develop a novel FRET-based sensor for TrkB activation that can report both BDNF and non-BDNF activation in a specific and reversible manner. Using this sensor, we monitor the spatiotemporal dynamics of TrkB activity during single-spine sLTP. In response to glutamate uncaging, we report a rapid (onset less than 1 minute) and sustained (lasting at least 20 minutes) activation of TrkB in the stimulated spine that depends on N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR)-Ca2+/Calmodulin dependent kinase II (CaMKII) signaling as well as post-synaptically synthesized BDNF. Consistent with these findings, we also demonstrate rapid, glutamate uncaging-evoked, time-locked release of BDNF from single dendritic spines using BDNF fused to superecliptic pHluorin (SEP). Finally, to elucidate the molecular mechanisms by which TrkB activation leads to sLTP, we examined the dependence of Rho GTPase activity - known mediators of sLTP - on BDNF-TrkB signaling. Through the use of previously described FRET-based sensors, we find that the activities of ras-related C3 botulinum toxin substrate 1 (Rac1) and cell division control protein 42 (Cdc42) require BDNF-TrkB signaling. Taken together, these findings reveal a spine-autonomous, autocrine signaling mechanism involving NMDAR-CaMKII dependent BDNF release from stimulated dendritic spines leading to TrkB activation and subsequent activation of the downstream molecules Rac1 and Cdc42 in these same spines that proves critical for sLTP. In conclusion, these results highlight structural plasticity as one cellular consequence of CA1 dendritic spine TrkB activation that may potentially contribute to larger, circuit-level changes underlying SE-induced epilepsy.

Spatiotemporal Dynamics of CaMKI During Structural Plasticity of Single Dendritic Spines

Multifunctional calcium/calmodulin dependent protein kinases (CaMKs) are key regulators of spine structural plasticity and long-term potentiation (LTP) in neurons. CaMKs have promiscuous and overlapping substrate recognition motifs, and are distinguished in their regulatory role based on differences in the spatiotemporal dynamics of activity. While the function and activity of CaMKII in synaptic plasticity has been extensively studied, that of CaMKI, another major class of CaMK required for LTP, still remain elusive.

Here, we develop a Förster’s Resonance Energy Transfer (FRET) based sensor to measure the spatiotemporal activity dynamics of CaMK1. We monitored CaMKI activity using 2-photon fluorescence lifetime imaging, while inducing LTP in single dendritic spines of rat (Rattus Norvegicus, strain Sprague Dawley) hippocampal CA1 pyramidal neurons using 2-photon glutamate uncaging. Using RNA-interference and pharmacological means, we also characterize the role of CaMKI during spine structural plasticity.

We found that CaMKI was rapidly and transiently activated with a rise time of ~0.3 s and decay time of ~1 s in response to each uncaging pulse. Activity of CaMKI spread out of the spine. Phosphorylation of CaMKI by CaMKK was required for this spreading and for the initial phase of structural LTP. Combined with previous data showing that CaMKII is restricted to the stimulated spine and required for long-term maintenance of structural LTP, these results suggest that CaMK diversity allows the same incoming signal – calcium – to independently regulate distinct phases of LTP by activating different CaMKs with distinct spatiotemporal dynamics.

Role of Vinculin in Regulating Force-Sensitive Dynamics of Adherens Junctions During Collective Cell Migration

Dynamic processes such as morphogenesis and tissue patterning require the precise control of many cellular processes, especially cell migration. Historically, these processes are thought to be mediated by genetic and biochemical signaling pathways. However, recent advances have unraveled a previously unappreciated role of mechanical forces in regulating these homeostatic processes in of multicellular systems. In multicellular systems cells adhere to both deformable extracellular matrix (ECM) and other cells, which are sources of applied forces and means of mechanical support. Cells detect and respond to these mechanical signals through a poorly understood process called mechanotransduction, which can have profound effects on processes such as cell migration. These effects are largely mediated by the sub cellular structures that link cells to the ECM, called focal adhesions (FAs), or cells to other cells, termed adherens junctions (AJs).

Overall this thesis is comprised of my work on identifying a novel force dependent function of vinculin, a protein which resides in both FAs and AJs - in dynamic process of collective migration. Using a collective migration assay as a model for collective cell behavior and a fluorescence resonance energy transfer (FRET) based molecular tension sensor for vinculin I demonstrated a spatial gradient of tension across vinculin in the direction of migration. To define this novel force-dependent role of vinculin in collective migration I took advantage of previously established shRNA based vinculin knock down Marin-Darby Canine Kidney (MDCK) epithelial cells.

The first part of my thesis comprises of my work demonstrating the mechanosensitive role of vinculin at AJ’s in collectively migrating cells. Using vinculin knockdown cells and vinculin mutants, which specifically disrupt vinculin’s ability to bind actin (VinI997A) or disrupt its ability to localize to AJs without affecting its localization at FAs (VinY822F), I establish a role of force across vinculin in E-cadherin internalization and clipping. Furthermore by measuring E-cadherin dynamics using fluorescence recovery after bleaching (FRAP) analysis I show that vinculin inhibition affects the turnover of E-cadherin at AJs. Together these data reveal a novel mechanosensitive role of vinculin in E-cadherin internalization and turnover in a migrating cell layer, which is contrary to the previously identified role of vinculin in potentiating E-cadherin junctions in a static monolayer.

For the last part of my thesis I designed a novel tension sensor to probe tension across N-cadherin (NTS). N-cadherin plays a critical role in cardiomyocytes, vascular smooth muscle cells, neurons and neural crest cells. Similar to E-cadherin, N-cadherin is also believed to bear tension and play a role in mechanotransduction pathways. To identify the role of tension across N-cadherin I designed a novel FRET-based molecular tension sensor for N-cadherin. I tested the ability of NTS to sense molecular tension in vascular smooth muscle cells, cardiomyocytes and cancer cells. Finally in collaboration with the Horwitz lab we have been able to show a role of tension across N-cadherin in synaptogenesis of neurons.

Molecular mechanisms involved in cell response to mechanical forces

New devices were designed to generate a localized mechanical vibration of flexible gels where human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) were cultured. The stimulation setups were able to apply relatively large strains (30%~50%) at high temporal frequencies (140~207 Hz) in a localized subcellular region. One of the advantages of this technique was to be less invasive to the innate cellular functions because there was no direct contact between the stimulating probe and the cell body. A mechanical vibration induced by the device in the substrate gel where cells were seeded could mainly cause global calcium responses of the cells. This global response was initiated by the influx of calcium across the stretch-activated channels in the plasma membrane. The subsequent production of inositol triphosphate (IP3) via phospholipase C (PLC) activation triggered the calcium release from the endoplasmic reticulum (ER) to cause a global intracellular calcium fluctuation over the whole cell body. This global calcium response was also shown to depend on actomyosin contractility and F-actin integrity, probably controlling the membrane stretch-activated channels. The localized nature of the stimulation is one of the most important features of these new designs as it allowed the observation of the calcium signaling propagation by ER calcium release. The next step was to focus on the calcium influx, more specifically the TRPM7 channels. As TRPM7 expression may modulate cell adhesion, an adhesion assay was developed and tested on HUVECs seeded on gel substrates with different treatments: normal treatment on gels showed highest attachment rate, followed by the partially treated gels (only 5% of usual fibronectin amount) and untreated gels, with the lowest attachment rate. The trend of the attachment rates correlated to the magnitude of the calcium signaling observed after mechanical stimulation. TRPM7 expression inhibition by siRNA caused an increased attachment rate when compared to both control and non-targeting siRNA-treated cells, but resulted in an actual weaker response in terms of calcium signaling. It suggests that TRPM7 channels are indeed important for the calcium signaling in response to mechanical stimulation. A complementary study was also conducted consisting in the mechanical stimulation of a dissected Drosophila embryo. Although ionomycin treatment showed calcium influx in the tissue, the mechanical stimulation delivered as a vertical vibration did not elicited calcium signaling in response. One possible reason is the dissection procedure causing desensitization of the tissue due to the scrapings and manipulations to open the embryo.

Sulfur transfer and activation by ubiquitin-like modifier system Uba4•Urm1 link protein urmylation and tRNA thiolation in yeast

Urm1 is a unique dual-function member of the ubiquitin protein family and conserved from yeast to man. It acts both as a protein modifier in ubiquitin-like urmylation and as a sulfur donor for tRNA thiolation, which in concert with the Elongator pathway forms 5-methoxy-carbonyl-methyl-2-thio (mcm5s2) modified wobble uridines (U34) in anticodons. Using Saccharomyces cerevisiae as a model to study a relationship between these two functions, we examined whether cultivation temperature and sulfur supply previously implicated in the tRNA thiolation branch of the URM1 pathway also contribute to proper urmylation. Monitoring Urm1 conjugation, we found urmylation of the peroxiredoxin Ahp1 is suppressed either at elevated cultivation temperatures or under sulfur starvation. In line with this, mutants with sulfur transfer defects that are linked to enzymes (Tum1, Uba4) required for Urm1 activation by thiocarboxylation (Urm1-COSH) were found to maintain drastically reduced levels of Ahp1 urmylation and mcm5s2U34 modification. Moreover, as revealed by site specific mutagenesis, the Stransfer rhodanese domain (RHD) in the E1-like activator (Uba4) crucial for Urm1-COSH formation is critical but not essential for protein urmylation and tRNA thiolation. In sum, sulfur supply, transfer and activation chemically link protein urmylation and tRNA thiolation. These are features that distinguish the ubiquitin-like modifier system Uba4•Urm1 from canonical ubiquitin family members and will help elucidate whether, in addition to their mechanistic links, the protein and tRNA modification branches of the URM1 pathway may also relate in function to one another.

PocketAlign A Novel Algorithm for Aligning Binding Sites in Protein Structures

A fundamental task in bioinformatics involves a transfer of knowledge from one protein molecule onto another by way of recognizing similarities. Such similarities are obtained at different levels, that of sequence, whole fold, or important substructures. Comparison of binding sites is important to understand functional similarities among the proteins and also to understand drug cross-reactivities. Current methods in literature have their own merits and demerits, warranting exploration of newer concepts and algorithms, especially for large-scale comparisons and for obtaining accurate residue-wise mappings. Here, we report the development of a new algorithm, PocketAlign, for obtaining structural superpositions of binding sites. The software is available as a web-service at http://proline.physicslisc.emetin/pocketalign/. The algorithm encodes shape descriptors in the form of geometric perspectives, supplemented by chemical group classification. The shape descriptor considers several perspectives with each residue as the focus and captures relative distribution of residues around it in a given site. Residue-wise pairings are computed by comparing the set of perspectives of the first site with that of the second, followed by a greedy approach that incrementally combines residue pairings into a mapping. The mappings in different frames are then evaluated by different metrics encoding the extent of alignment of individual geometric perspectives. Different initial seed alignments are computed, each subsequently extended by detecting consequential atomic alignments in a three-dimensional grid, and the best 500 stored in a database. Alignments are then ranked, and the top scoring alignments reported, which are then streamed into Pymol for visualization and analyses. The method is validated for accuracy and sensitivity and benchmarked against existing methods. An advantage of PocketAlign, as compared to some of the existing tools available for binding site comparison in literature, is that it explores different schemes for identifying an alignment thus has a better potential to capture similarities in ligand recognition abilities. PocketAlign, by finding a detailed alignment of a pair of sites, provides insights as to why two sites are similar and which set of residues and atoms contribute to the similarity.

Biosynthesis of fluorescent cyanobacterial allophycocyanin trimer in Escherichia coli

Allophycocyanin (APC), a cyanobacterial photosynthetic phycobiliprotein, functions in energy transfer as a light-harvesting protein. One of the prominent spectroscopic characteristics of APC is a strong red-shift in the absorption and emission maxima when monomers are assembled into a trimer. Previously, holo-APC alpha and beta subunits (holo-ApcA and ApcB) were successfully synthesized in Escherichia coli. In this study, both holo-subunits from Synechocystis sp. PCC 6803 were co-expressed in E. coli, and found to self-assemble into trimers. The recombinant APC trimer was purified by metal affinity and size-exclusion chromatography, and had a native structure identical to native APC, as determined by characteristic spectroscopic measurements, fluorescence quantum yield, tryptic digestion analysis, and molecular weight measurements. Combined with results from a study in which only the monomer was formed, our results indicate that bilin synthesis and the subsequent attachment to apo-subunits are important for the successful assembly of APC trimers. This is the first study to report on the assembly of recombinant ApcA and ApcB into a trimer with native structure. Our study provides a promising method for producing better fluorescent tags, as well as a method to facilitate the genetic analysis of APC trimer assembly and biological function.

Structure quaternaire des récepteurs de chimiokines CXCR4 et CCR2 et interaction avec leurs effecteurs

Thèse réalisée en cotutelle avec l'université Montpellier2 dans le laboratoire de pharmacologie moléculaire de Jean-Philippe Pin à l'institut de génomique fonctionnelle (IGF), Montpellier, France.

Src homology 3-domain growth factor receptor-bound 2-like (endophilin) interacting protein 1, a novel neuronal protein that regulates energy balance

To identify genes involved in the central regulation of energy balance, we compared hypothalamic mRNA from lean and obese Psammomys obesus, a polygenic model of obesity, using differential display PCR. One mRNA transcript was observed to be elevated in obese, and obese diabetic, P. obesus compared with lean animals and was subsequently found to be increased 4-fold in the hypothalamus of lethal yellow agouti (Ay/a) mice, a murine model of obesity and diabetes. Intracerebroventricular infusion of antisense oligonucleotide targeted to this transcript selectively suppressed its hypothalamic mRNA levels and resulted in loss of body weight in both P. obesus and Sprague Dawley rats. Reductions in body weight were mediated by profoundly reduced food intake without a concomitant reduction in metabolic rate. Yeast two-hybrid screening, and confirmation in mammalian cells by bioluminescence resonance energy transfer analysis, demonstrated that the protein it encodes interacts with endophilins, mediators of synaptic vesicle recycling and receptor endocytosis in the brain. We therefore named this transcript Src homology 3-domain growth factor receptor-bound 2-like (endophilin) interacting protein 1 (SGIP1). SGIP1 encodes a large proline-rich protein that is expressed predominantly in the brain and is highly conserved between species. Together these data suggest that SGIP1 is an important and novel member of the group of neuronal molecules required for the regulation of energy homeostasis.

Strategies for detecting DNA hybridisation using surface plasmon fluorescence spectroscopy

Die Anregung und Emission von Fluorophoren nahe planaren Metalloberflächen und schiefen Gittern wurde mittels Oberflächenplasmonen Fluoreszenz Spektroskopie (SPFS) untersucht. Die Fluorophore konnten durch das evaneszente Plasmonenfeld angeregt und die einzelnen Abregungskanäle identifiziert werden.Die Sensorarchitektur für den Nachweis der Hybridisierung bestand aus auf einer Streptavidin-Matrix immobilisierten unmarkierten Sondensträngen. Cy5 markierte Zielsequenzen wurden aus der Lösung hybridisiert und die Adsorptionskinetiken konnten oberflächensensitiv detektiert werden.Ein neues Detektionsschema für unmarkierte Zielstränge wurde mittels fluoreszenzmarkirten Sondensträngen realisiert. Die Hybridisierung führte zu der Bildung von steifen helikalen Bereichen in der Probe und separierte den Farbstoff von der Metalloberfläche. Reduzierte Fluorezenzlöschung zeigte daher das Hybridisierungsereignis an.Die Verwendung eines potentiellen Förster-Paares zur Detektion von DNA Hybridisierung wurde untersucht. Donor und Akzeptor wurden an Ziel- und Sondenstrang immobilisiert und das Hybridisierungsereignis konnte anhand der Auslöschung der Donor-Fluorezenz nachgewiesen werden.Schließlich wurde der Einsatz von einzelstrangbindenden Proteinen (SSB) zur Steigerung der Sensitivität bezüglich Basenfehlpaarungen betrachtet. Verdrängungsreaktionen zwischen Proteinen und markierten Zielsträngen wurden anhand von SPS und Fluorezenzkinetiken studiert.

Biomimetisches Modell eines Photosystems aus dem pflanzlichen Photosyntheseapparat

In dieser Arbeit wurde ein biomimetisches Modell für ein pflanzliches Photosystem bestehend aus dem rekombinanten Hauptlichtsammlerkomplex (LHCII) als Absorptions- und Energietransfereinheit und einem N-terminal an das Protein gebundenen Farbstoff als Energieakzeptor hergestellt. Mehrere LHCII-Farbstoff-Konstrukte wurden getestet, die höchste Energietransfereffizienz von komplexgebundenem Chlorophyll-a zum Energieakzeptor konnte an einem LHCII-Benzoylterrylendicarboximid-Konstrukt gemessen werden. Bei Raumtemperatur wurde hier 70% der Chlorophyll-a-Anregungsenergie auf den Farbstoff übertragen, bei 77 K sogar 85%. LHCII-Farbstoffkonstrukte können helfen, strukturelle und funktionelle Eigenschaften des LHCII näher zu beleuchten. So konnte bereits in dieser Arbeit gezeigt werden, daß der N-Terminus des Komplexes im zeitlichen Mittel in eine größere Annäherung zum pigmentierten Teil des LHCII kommen muß, sonst sind Energietransfereffizienzen obiger Größenordnung nicht möglich. Weitere Erkenntnisse werden von einzelmolekülspektroskopischen Untersuchungen erwartet. Voraussetzung hierfür ist jedoch eine orientierte Immobilisierung des LHCII auf einer Glasoberfläche. Es gelang, den Komplex über eine auf molekularer Ebene eingeführte Aminosäuresequenz aus sechs Histidinen an die Nickelchelatgruppe einer auf Glas immobilisierten Meerrettich-Peroxidase zu binden. Einzelmolekülspektroskopisch konnte eine LHCII-Immobilisation senkrecht zur Proteinsymmetrieachse nachgewiesen werden. Mittelfristig wird angestrebt, LHCII-Farbstoffkonstrukte auch für photovoltaische Anwendungen nutzbar zu machen. Ein erster Meilenstein wurde in dieser Arbeit erreicht, indem es gelang, LHCII an Titandioxid, Halbleiter der sog. Grätzelzelle, zu binden.

Transgene Mausmodelle zur Untersuchung von Nervenzellwanderungen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden transgene Mausmodelle hergestellt, die eine weitere Aufklärung der Rolle des Transkriptionsfaktors Pax6 bei der Wanderung von Nervenzellen ermöglichen, sowie ein Kultursystem zur Darstellung embryonaler Wanderungen außerhalb des Mutterleibs entwickelt.Bei der YAC-transgenen Mäuselinie PhPax6-taulacZ wird das Reportergen taulacZ unter der Kontrolle des Pax6-Promotors exprimiert. Dadurch ist dort, wo Pax6 im Zellkern vorliegt, der Rest der Zelle über seine gesamte Ausdehnung mit der vom taulacZ-Transgen kodierten tau-b-Galactosidase markiert. Das räumlich-zeitliche Expressionsmuster von Pax6 und dem Transgen taulacZ wurde detailliert untersucht. Dabei wurde eine hohe Übereinstimmung festgestellt. Basierend auf der Darstellung der Zellen in ihrer gesamten Ausdehnung, die durch das taulacZ-Transgen erstmals möglich ist, wurde eine Klassifizierung Pax6-positiver Zelltypen vorgenommen. Zunächst wird Pax6 in Neuroepithelzellen, später in radialen Gliazellen exprimiert.Mit der zweiten transgenen Mäuselinie, PhPax6-tTA, wurde ein Werkzeug hergestellt, das die gezielte und hoch spezifische Expression von beliebigen Transgenen in Pax6-exprimierenden Zellen ermöglicht. In Pax6-positive Zellen der Medulla wurde das Grün Fluoreszierende Protein (GFP) eingeführt und das Wanderungsverhalten in vitro über mehrere Tage dargestellt. Erstmals können mit dieser Linie beliebige Expressionskonstrukte gezielt, hocheffizient und schnell in wandernde Neurone eingebracht werden, ohne störende Hinter-grundexpression in anderen Zellen.

Kinetic and affinity analysis of hybridization reactions between PNA probes and DNA targets using surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS)

Sequenz spezifische biomolekulare Analyseverfahren erweisen sich gerade im Hinblick auf das Humane Genom Projekt als äußerst nützlich in der Detektion von einzelnen Nukleotid Polymorphismen (SNPs) und zur Identifizierung von Genen. Auf Grund der hohen Anzahl von Basenpaaren, die zu analysieren sind, werden sensitive und effiziente Rastermethoden benötigt, welche dazu fähig sind, DNA-Proben in einer geeigneten Art und Weise zu bearbeiten. Die meisten Detektionsarten berücksichtigen die Interaktion einer verankerten Probe und des korrespondierenden Targets mit den Oberflächen. Die Analyse des kinetischen Verhaltens der Oligonukleotide auf der Sensoroberfläche ist infolgedessen von höchster Wichtigkeit für die Verbesserung bereits bekannter Detektions - Schemata. In letzter Zeit wurde die Oberflächen Plasmonen feld-verstärkte Fluoreszenz Spektroskopie (SPFS) entwickelt. Sie stellt eine kinetische Analyse - und Detektions - Methode dar, die mit doppelter Aufzeichnung, d.h. der Änderung der Reflektivität und des Fluoreszenzsignals, für das Interphasen Phänomen operiert. Durch die Verwendung von SPFS können Kinetikmessungen für die Hybridisierung zwischen Peptid Nukleinsäure (PNA), welche eine synthetisierte Nukleinsäure DNA imitiert und eine stabilere Doppelhelix formt, und DNA auf der Sensoroberfläche ausgeführt werden. Mittels einzel-, umfassend-, und titrations- Experimenten sowohl mit einer komplementär zusammenpassenden Sequenz als auch einer mismatch Sequenz können basierend auf dem Langmuir Modell die Geschwindigkeitskonstanten für die Bindungsreaktion des oligomer DNA Targets bzw. des PCR Targets zur PNA ermittelt werden. Darüber hinaus wurden die Einflüsse der Ionenstärke und der Temperatur für die PNA/DNA Hybridisierung in einer kinetischen Analyse aufgezeigt.

Untersuchung neuer hochwirksamer neuroprotektiver Antioxidantien in experimentellen Modellen der Parkinsonschen Krankheit

Bei der Parkinsonschen Krankheit kommt es zu einer selektiven Degeneration der dopaminergen Neurone in der Substantia nigra pars compacta. Die Rolle des oxidativen Stresses in der Pathogenese dieser Erkrankung konnte an post mortem Untersuchungen der Parkinson-Patienten, wie auch an zahlreichen in vitro und in vivo Modellen bestätigt werden. Die Anwendung von Antioxidantien wurde als therapeutische Strategie der Parkinsonschen Krankheit vorgeschlagen. In dieser Hinsicht wurden bereits antioxidative Substanzen in klinischen Studien evaluiert. Klinische Studien mit Antioxidantien haben jedoch bislang nur wenig überzeugende Ergebnisse erbracht, mit Ausnahme des Einsatzes des Ubichinons (Coenzym Q). Eine kritische Analyse der klinischen Studien lässt zusammenfassen, dass auf Seiten der verwendeten Antioxidantien noch massiver Optimierungsbedarf besteht. Für einen erfolgreichen therapeutischen Einsatz von Antioxidantien bei dieser Krankheit sind folgende Eigenschaften der Substanzen von höchster Bedeutung: i) maximale neuroprotektive Aktivität bei geringen Dosen; ii) geringe Nebenwirkungen; iii) eine hohe Blut-Hirn-Schrankengängigkeit.In dieser Arbeit wurde das neuroprotektive Potential von drei Bisarylimin-basierten antioxidativen Strukturen (Phenothiazin, Iminostilben und Phenoxazin) in in vitro und in vivo Parkinson-Modellsystemen evaluiert. Beide experimentellen Modelle basieren auf der Wirkung der mitochondrialen Komplex I Inhibitoren 1-Methyl-4-Phenylpyridin (MPP+) und Rotenon, welche pathophysiologische Charakteristika der Parkinsonschen Krankheit reproduzieren. Unsere in vitro Untersuchungen an primären Neuronen des Mittelhirns und der klonalen SH-SY5Y-Neuroblastomazelllinie konnten zeigen, dass die Komplex I Inhibition krankheitsspezifische zelluläre Merkmale induziert, wie die Abnahme der antioxidativen Verteidigungskapazität und Verlust des mitochondrialen Membranpotentials. Zusätzlich kommt es in primären Neuronen des Mittelhirns zur selektiven Degeneration dopaminerger Neurone, welche in der Parkinsonschen Erkrankung besonders betroffen sind. Ko-Inkubation der in vitro Modelle mit Phenothiazin, Iminostilben und Phenoxazin in niedrigen Konzentrationen (50 nM) halten die pathologischen Prozesse fast vollständig auf. In vivo Untersuchungen am MPP+- und Rotenon-basierten Caenorhabditis elegans (C. elegans) Modell bestätigen das neuroprotektive Potential der Bisarylimine. Hierfür wurde eine transgene C. elegans Linie mithilfe einer dopaminerg spezifischen DsRed2- (Variante des rot fluoreszierenden Proteins von Discosoma sp.)-Expression und pan-neuronaler CFP- (cyan fluoreszierendes Protein)-Expression zur Visualisierung der dopaminergen Neuronenpopulation in Kontrast zum Gesamtnervensystem erstellt. Behandlung des C. elegans mit MPP+ und Rotenon im larvalen und adulten Stadium führt zu einer selektiven Degeneration dopaminerger Neurone, sowie zum Entwicklungsarrest der larvalen Population. Die dopaminerge Neurodegeneration, wie auch weitere phänotypische Merkmale des C. elegans Modells, können durch Phenothiazin, Iminostilben und Phenoxazin in niedrigen Konzentrationen (500 nM) komplett verhindert werden. Ein systemischer Vergleich aromatischer Bisarylimine mit bekannten, gut charakterisierten Antioxidantien, wie α-Tocopherol (Vitamin E), Epigallocatechingallat und β-Catechin, zeigt, dass effektive Konzentrationen für Phenothiazin, Iminostilben und Phenoxazin um Zehnerpotenzen niedriger liegen im Vergleich zu natürlichen Antioxidantien. Der Wirkungsmechanismus der Bisarylimine konnte in biochemischen und in vitro Analysen, sowie in Verhaltensuntersuchungen an C. elegans von der Wirkungsweise strukturell ähnlicher, neuroleptisch wirkender Phenothiazin-Derivate differenziert werden. Die Analyse des dopaminerg-gesteuerten Verhaltens (Beweglichkeit) in C. elegans konnte verdeutlichen, dass antioxidative und Dopaminrezeptor-bindende Eigenschaften der Bisaryliminstrukturen sich gegenseitig ausschließen. Diese qualitativen Merkmale unterscheiden Bisarylimine fundamental von klinisch angewandten Neuroleptika (Phenothiazin-Derivate), welche als Dopaminrezeptor-Antagonisten zur Behandlung psychischer Erkrankungen klinisch eingesetzt werden.Aromatische Bisarylimine (Phenothiazin, Iminostilben und Phenoxazin) besitzen günstige strukturelle Eigenschaften zur antioxidativ-basierter Neuroprotektion. Durch die Anwesenheit der antioxidativ wirkenden, nicht-substituierten Iminogruppe unterscheiden sich Bisarylimine grundlegend von neuroleptisch-wirkenden Phenothiazin-Derivaten. Wichtige strukturelle Voraussetzungen eines erfolgreichen antioxidativen Neuropharmakons, wie eine hohe Radikalisierbarkeit, die stabile Radikalform und der lipophile Charakter des aromatischen Ringsystems, werden in der Bisaryliminstruktur erfüllt. Antioxidative Bisarylimine könnten in der Therapie der Parkinsonschen Krankheit als eine effektive neuroprotektiv-therapeutische Strategie weiter entwickelt werden.