Actions of translocator protein ligands on neutrophil adhesion and motility induced by G-protein coupled receptor signaling

The 18 kDa translocator protein (TSPO) also known as the peripheral benzodiazepine receptor (PBR), mediates the transportation of cholesterol and anions from the outer to the inner mitochondrial membrane in different cells types. Although recent evidences indicate a potential role for TSPO in the development of inflammatory processes, the mechanisms involved have not been elucidated. The present study investigated the ability of the specific TSPO ligands, the isoquinoline carboxamide PK11195 and benzodiazepine Ro5-4864, on neutrophil recruitment promoted by the N-formylmethionyl-leucyl-phenylalanine peptide (fMLP), an agonist of G-protein coupled receptor (GPCR). Pre-treatment with Ro5-4864 abrograted fMLP-induced leukocyte-endothelial interactions in mesenteric postcapillary venules in vivo. Moreover, in vitro Ro5-4864 treatment prevented fMLP-induced: (i) L-selectin shedding and overexpression of PECAM-1 on the neutrophil cell surface; (ii) neutrophil chemotaxis and (iii) enhancement of intracellular calcium cations (iCa(+2)). Intriguingly, the two latter effects were augmented by cell treatment with PK11195. An allosteric agonist/antagonist relation may be suggested, as the effects of Ro5-4864 on fMLP-stimulated neutrophils were reverted by simultaneous treatment with PK11195. Taken together, these data highlight TSPO as a modulator of pathways of neutrophil adhesion and locomotion induced by GPCR, connecting TSPO actions and the onset of an innate inflammatory response. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

Assessment of field fertility and several in vitro sperm characteristics following the use of different Angus sires in a timed-AI program with suckled Nelore cows

In order to provide information that may help researchers to understand the main cause(s) of differences in bull fertility frequently observed in field trials, this study aimed to investigate conception rates as well as several in vitro sperm characteristics of different sires of unknown fertility utilized in a Timed-AI (TAI) program. Suckled Nelore cows submitted to the same TAI protocol were allocated into eight breeding groups of approximately 120 animals each. Frozen semen doses from three Angus bulls and three different batches from each bull were utilized. Approximately 100 doses from each batch were used in TAI. Sires, batches and AI technicians were equally distributed across breeding groups. Cows were examined for pregnancy diagnosis 40 d after TAI. For in vitro sperm analyses, the same thawing procedure was repeated in the laboratory to mimic field conditions. The following in vitro sperm characteristics were assessed: computerized motility, thermal resistance, plasma and acrosomal membrane integrity, lipid peroxidation, morphology, morphometry and chromatin structure. No effect of breeding group, body condition score, AI technician and sire was observed. However, some significant differences among bulls were detected in laboratory analyses. Semen from sire presenting numerically lower (P > 0.05) pregnancy/AI also presented lower (P < 0.05) values in all sperm characteristics analyzed in thermal resistance test at 4 h (Total Motility, Progressive Motility, Average Path Velocity, Straight-Line Velocity, Curvilinear Velocity, Amplitude of Lateral Head Displacement, Beat Cross Frequency, Straightness, Linearity, and Percentage of Rapidly Moving Cells), higher (P < 0.05) Major and Total Defects in sperm morphological test, lower (P < 0.05) Length, Ellipticity and Fourier parameter (Fourier 0) in sperm morphometric analysis as well as higher (P < 0.05) chromatin heterogeneity. It was concluded that, although no bull effect was observed in the field experiment, the sire that presented numerically lower pregnancy/AI also presented lower semen quality according to the laboratory analyses performed. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Effect of sequence of insemination after simultaneous thawing of multiple semen straws on conception rate to timed AI in suckled multiparous Nelore cows

The objective was to determine the effect of sequence of insemination after simultaneous thawing of multiple 0.5 mL semen straws on conception rate in suckled multiparous Nelore cows. The effect of this thawing procedure on in vitro sperm characteristics was also evaluated. All cows (N = 944) received the same timed AI protocol. Ten straws (0.5 mL) of frozen semen from the same batch were simultaneously thawed at 36 degrees C, for a minimum of 30 sec. One straw per cow was used for timed AI. Frozen semen from three Angus bulls was used. Timed AI records included sequence of insemination (first to tenth) and time of semen removal from thawing bath. For laboratory analyses, the same semen batches used in the field experiment were evaluated. Ten frozen straws from the same batch were thawed simultaneously in a thawing unit identical to that used in the field experiment. The following sperm characteristics were analyzed: sperm motility parameters, sperm thermal resistance, plasma and acrosomal membrane integrity, lipid peroxidation, chromatin structure, and sperm morphometry. Based on logistic regression, there were no significant effects of breeding group, body condition score, AI technician, and sire on conception rate, but there was an interaction between sire and straw group (P = 0.002). Semen from only one bull had decreased (P < 0.05) field fertility for the group of straws associated with the longest interval from thawing to AI. However, the results of the laboratory experiment were unable to explain the findings of the field experiment. Sperm width:length ratio of morphometric analysis was the single sperm characteristic with a significant interaction between sire and straw group (P = 0.02). It was concluded that sequence of insemination after simultaneous thawing of 10 semen straws can differently affect conception rates at timed AI, depending on the sire used. Nevertheless, the effects of this thawing environment on in vitro sperm characteristics, remain to be further investigated. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Effects of discontinuous Percoll gradient centrifugation on the quality of bovine spermatozoa evaluated with computer-assisted semen analysis and fluorescent probes association

The objective of this study was to evaluate the quality of bovine frozen-thawed sperm cells after Percoll gradient centrifugation. Frozen semen doses were obtained from six bulls of different breeds, including three taurine and three Zebu animals. Four ejaculates per bull were evaluated before and after discontinuous Percoll gradient centrifugation. Sperm motility was assessed by computer-assisted semen analysis and the integrity of the plasma and acrosomal membranes, as well as mitochondrial function, were evaluated using a combination of fluorescent probes propidium iodide, fluorescein isothiocyanate-conjugated Pisum sativum agglutinin and 5,5',6,6'-tetrachloro-1,1',3,3'-tetraethylbenzimidazolcarbocyanine iodide. The procedure of Percoll gradient centrifugation increased the percentage of total and progressive sperm motility, beat frequency, rectilinear motility, linearity and rapidly moving cells. In addition, the percentage of cells with intact plasma membrane and mitochondrial membrane potential was increased in post-centrifugation samples. However, the percentage of sperm cells with intact acrosomal membrane was markedly reduced. The method used selected the motile cells with intact plasma membrane and higher mitochondrial functionality in frozen-thawed bull semen, but processing, centrifugation and/or the Percoll medium caused damage to the acrosomal membrane.

Activation of Survival and Apoptotic Signaling Pathways in Lymphocytes Exposed to Palmitic Acid

The toxicity of palmitic acid (PA) towards a human T-lymphocyte cell line (Jurkat) has been previously investigated but the mechanism(s) of PA action were unknown. In the current study, Jurkat cells were treated with sub-lethal concentrations of PA (50-150 mu M) and the activity of various signaling proteins was investigated. PA-induced apoptosis and mitochondrial dysfunction in a dose-dependent manner as evaluated by DNA fragmentation assay and depolarization of the mitochondrial membrane, respectively. PA treatment provoked release of cytochrome c from the inner mitochondrial membrane to the cytosol, activated members of the MAPK protein family JNK, p38, ERK, activated caspases 3/9, and increased oxidative/nitrosative stress. Exposure of cells to PA for 12 h increased insulin receptor (IR) and GLUT-4 levels in the plasma membrane. Insulin treatment (10 mU/ml/30 min) increased the phosphorylation of the IR beta-subunit and Akt. A correlation was found between DNA fragmentation and expression levels of both IR and GLUT-4. Similar results were obtained for PA-treated lymphocytes from healthy human donors and from mesenteric lymph nodes of 48-h starved rats. PA stimulated glucose uptake by Jurkat cells (in the absence of insulin), stimulated accumulation of neutral lipids (triglyceride), and other lipid classes (phospholipids and cholesterol ester) but reduced glucose oxidation. Our results suggest that parameters of insulin signaling and non-oxidative glucose metabolism are stimulated as part of a coordinated response to prompt survival in lymphocytes exposed to PA but at higher concentrations, apoptosis prevails. These findings may explain aspects of lymphocyte dysfunction associated with diabetes. J. Cell. Physiol. 227: 339-350, 2012. (C) 2011 Wiley Periodicals, Inc.

Studies of OPA1 pathogenic mechanisms in Dominant Optic Atrophy and novel protein function in mitochondrial DNA stability

The mitochondrion is an essential cytoplasmic organelle that provides most of the energy necessary for eukaryotic cell physiology. Mitochondrial structure and functions are maintained by proteins of both mitochondrial and nuclear origin. These organelles are organized in an extended network that dynamically fuses and divides. Mitochondrial morphology results from the equilibrium between fusion and fission processes, controlled by a family of “mitochondria-shaping” proteins. It is becoming clear that defects in mitochondrial dynamics can impair mitochondrial respiration, morphology and motility, leading to apoptotic cell death in vitro and more or less severe neurodegenerative disorders in vivo in humans. Mutations in OPA1, a nuclear encoded mitochondrial protein, cause autosomal Dominant Optic Atrophy (DOA), a heterogeneous blinding disease characterized by retinal ganglion cell degeneration leading to optic neuropathy (Delettre et al., 2000; Alexander et al., 2000). OPA1 is a mitochondrial dynamin-related guanosine triphosphatase (GTPase) protein involved in mitochondrial network dynamics, cytochrome c storage and apoptosis. This protein is anchored or associated on the inner mitochondrial membrane facing the intermembrane space. Eight OPA1 isoforms resulting from alternative splicing combinations of exon 4, 4b and 5b have been described (Delettre et al., 2001). These variants greatly vary among diverse organs and the presence of specific isoforms has been associated with various mitochondrial functions. The different spliced exons encode domains included in the amino-terminal region and contribute to determine OPA1 functions (Olichon et al., 2006). It has been shown that exon 4, that is conserved throughout evolution, confers functions to OPA1 involved in maintenance of the mitochondrial membrane potential and in the fusion of the network. Conversely, exon 4b and exon 5b, which are vertebrate specific, are involved in regulation of cytochrome c release from mitochondria, and activation of apoptosis, a process restricted to vertebrates (Olichon et al., 2007). While Mgm1p has been identified thanks to its role in mtDNA maintenance, it is only recently that OPA1 has been linked to mtDNA stability. Missense mutations in OPA1 cause accumulation of multiple deletions in skeletal muscle. The syndrome associated to these mutations (DOA-1 plus) is complex, consisting of a combination of dominant optic atrophy, progressive external ophtalmoplegia, peripheral neuropathy, ataxia and deafness (Amati- Bonneau et al., 2008; Hudson et al., 2008). OPA1 is the fifth gene associated with mtDNA “breakage syndrome” together with ANT1, PolG1-2 and TYMP (Spinazzola et al., 2009). In this thesis we show for the first time that specific OPA1 isoforms associated to exon 4b are important for mtDNA stability, by anchoring the nucleoids to the inner mitochondrial membrane. Our results clearly demonstrate that OPA1 isoforms including exon 4b are intimately associated to the maintenance of the mitochondrial genome, as their silencing leads to mtDNA depletion. The mechanism leading to mtDNA loss is associated with replication inhibition in cells where exon 4b containing isoforms were down-regulated. Furthermore silencing of exon 4b associated isoforms is responsible for alteration in mtDNA-nucleoids distribution in the mitochondrial network. In this study it was evidenced that OPA1 exon 4b isoform is cleaved to provide a 10kd peptide embedded in the inner membrane by a second transmembrane domain, that seems to be crucial for mitochondrial genome maintenance and does correspond to the second transmembrane domain of the yeasts orthologue encoded by MGM1 or Msp1, which is also mandatory for this process (Diot et al., 2009; Herlan et al., 2003). Furthermore in this thesis we show that the NT-OPA1-exon 4b peptide co-immuno-precipitates with mtDNA and specifically interacts with two major components of the mitochondrial nucleoids: the polymerase gamma and Tfam. Thus, from these experiments the conclusion is that NT-OPA1- exon 4b peptide contributes to the nucleoid anchoring in the inner mitochondrial membrane, a process that is required for the initiation of mtDNA replication and for the distribution of nucleoids along the network. These data provide new crucial insights in understanding the mechanism involved in maintenance of mtDNA integrity, because they clearly demonstrate that, besides genes implicated in mtDNA replications (i.e. polymerase gamma, Tfam, twinkle and genes involved in the nucleotide pool metabolism), OPA1 and mitochondrial membrane dynamics play also an important role. Noticeably, the effect on mtDNA is different depending on the specific OPA1 isoforms down-regulated, suggesting the involvement of two different combined mechanisms. Over two hundred OPA1 mutations, spread throughout the coding region of the gene, have been described to date, including substitutions, deletions or insertions. Some mutations are predicted to generate a truncated protein inducing haploinsufficiency, whereas the missense nucleotide substitutions result in aminoacidic changes which affect conserved positions of the OPA1 protein. So far, the functional consequences of OPA1 mutations in cells from DOA patients are poorly understood. Phosphorus MR spectroscopy in patients with the c.2708delTTAG deletion revealed a defect in oxidative phosphorylation in muscles (Lodi et al., 2004). An energetic impairment has been also show in fibroblasts with the severe OPA1 R445H mutation (Amati-Bonneau et al., 2005). It has been previously reported by our group that OPA1 mutations leading to haploinsufficiency are associated in fibroblasts to an oxidative phosphorylation dysfunction, mainly involving the respiratory complex I (Zanna et al., 2008). In this study we have evaluated the energetic efficiency of a panel of skin fibroblasts derived from DOA patients, five fibroblast cell lines with OPA1 mutations causing haploinsufficiency (DOA-H) and two cell lines bearing mis-sense aminoacidic substitutions (DOA-AA), and compared with control fibroblasts. Although both types of DOA fibroblasts maintained a similar ATP content when incubated in a glucose-free medium, i.e. when forced to utilize the oxidative phosphorylation only to produce ATP, the mitochondrial ATP synthesis through complex I, measured in digitonin-permeabilized cells, was significantly reduced in cells with OPA1 haploinsufficiency only, whereas it was similar to controls in cells with the missense substitutions. Furthermore, evaluation of the mitochondrial membrane potential (DYm) in the two fibroblast lines DOA-AA and in two DOA-H fibroblasts, namely those bearing the c.2819-2A>C mutation and the c.2708delTTAG microdeletion, revealed an anomalous depolarizing response to oligomycin in DOA-H cell lines only. This finding clearly supports the hypothesis that these mutations cause a significant alteration in the respiratory chain function, which can be unmasked only when the operation of the ATP synthase is prevented. Noticeably, oligomycin-induced depolarization in these cells was almost completely prevented by preincubation with cyclosporin A, a well known inhibitor of the permeability transition pore (PTP). This results is very important because it suggests for the first time that the voltage threshold for PTP opening is altered in DOA-H fibroblasts. Although this issue has not yet been addressed in the present study, several are the mechanisms that have been proposed to lead to PTP deregulation, including in particular increased reactive oxygen species production and alteration of Ca2+ homeostasis, whose role in DOA fibroblasts PTP opening is currently under investigation. Identification of the mechanisms leading to altered threshold for PTP regulation will help our understanding of the pathophysiology of DOA, but also provide a strategy for therapeutic intervention.

Untersuchungen zur Interaktion von Cholesterin mit cholesterinbindenden Proteinen

Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt bei der Biosynthese von Steroidhormonen ist der Transport von Cholesterin von der äußeren zur inneren Mitochondrienmembran, wo es zu dem Steroid Pregnenolon umgewandelt wird. Für diesen Transport ist das StAR-Protein (Steroidogenic Acute Regulatory Protein) notwendig. Ein weiteres an der Bildung von Steroidhormonen beteiligtes Protein ist das MLN64-Protein. Beide Proteine besitzen so genannte START-Domänen (StAR related Lipid Transfer-Domänen), die Cholesterin binden können. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die START-Domänen von StAR und MLN64 Cholesterin auf unterschiedliche Weise binden. Es ist noch nicht geklärt, auf welche Weise das StAR-Protein den Cholesterintransport in die Mitochondrien bewirkt. Das StAR-Protein könnte Cholesterin binden und als Cholesterintransporter zwischen äußerer und innerer Mitochondrienmembran fungieren. Nach einer anderen Hypothese wirkt das StAR-Protein ausschließlich an der äußeren Mitochondrienmembran. Es wird auch postuliert, dass das StAR-Protein in einem teilweise entfalteten Zustand vorliegen muss, um seine Funktion erfüllen zu können. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass StAR ein fotoreaktives Cholesterinderivat bindet. Die Cholesterinbindungsstelle des StAR-Proteins konnte eingegrenzt werden. Es wurden Experimente durchgeführt, um zu überprüfen, ob das Protein tatsächlich nur in teilweise entfaltetem Zustand aktiv ist. Die Cholesterinbindung des MLN64-Proteins wurde ebenfalls mit dem fotoreaktiven Cholesterinderivat untersucht. Dabei zeigte sich, dass MLN64 offenbar mehrere Bindungsstellen für Cholesterin besitzt. Weitere Experimente beschäftigten sich mit der Charakterisierung der Cholesterinbindungsstelle des humanen Oxytocinrezeptors, eines G-Protein gekoppelten Hormonrezeptors, der durch Cholesterin reguliert wird. Dabei kam auch wieder das fotoreaktive Cholesterinderivat zum Einsatz. Außerdem wurden in dieser Arbeit Experimente durchgeführt, die sich mit der Regulation der Cholesterinbiosynthese befassten. Die Biosynthese des Cholesterins wird reguliert, indem in der Membran des Endoplasmatischen Retikulums verankerte Transkriptionsfaktoren proteolytisch freigesetzt werden. Das passiert nur dann, wenn der zelluläre Cholesterinspiegel niedrig ist. Bei diesem Regulationsmechanismus spielt das Protein SCAP eine zentrale Rolle (Sterol responsive element binding protein Cleavage Activating Protein). SCAP bindet Cholesterin spezifisch und wird dadurch reguliert. Im Rahmen dieser Arbeit konnte der Bereich von SCAP eingegrenzt werden, der Cholesterin bindet. Ebenso konnte gezeigt werden, dass die Interaktion von SCAP mit einem anderen, als Insig bezeichneten Protein indirekt durch das Cholesterinderivat 25-Hydroxycholesterin reguliert wird.

Elektrochemisch gesteuerte zeitaufgelöste Infrarotspektroskopie an Redox-Membranproteinen in einer biomimetischen Membran-Architektur

Das Protein Cytochrom c Oxidase (CcO) ist ein Enzym der mitochondrialen Atmungskette. Als letzter Komplex (Komplex IV) einer Elektronentransportkette katalysiert sie die Reduktion von molekularem Sauerstoff zu Wasser. Hierbei werden Elektronen von Cytochrom c (Cc) in das Enzym geleitet. Die durch den Redoxprozess freiwerdende freie Enthalpie wird dazu genutzt, einen Protonengradienten über die innere Mitochondrien-Membran aufzubauen. Die zurückwandernden Protonen treiben in der ATP-Synthase die Produktion von Adenosintriphosphat (ATP) an, dem universellen Energieträger in lebenden Organismen. Gegenstand dieser Dissertation sind zeitaufgelöste ATR-FTIR-Messungen des direkten Elektronentransfers in die CcO. Das Protein wird hierzu orientiert auf einer Goldelektrode immobilisiert und in eine künstliche Membran rekonstituiert (Protein-tethered Bilayer Lipid Membrane, ptBLM). Das ptBLM-System wird hinsichtlich einer möglichst hohen Protein-Aktivität optimiert. Elektronen werden durch elektrochemische Anregung von der Elektrode in die CcO injiziert. Die Goldoberfläche wird auf die reflektierende Oberfläche eines Silizium-ATR-Kristalls aufgebracht. Durch die Präparation einer rauen Oberfläche (RMS-Rauigkeit ca. 5 nm) wird eine Verstärkung der IR-Absorption erreicht. Die mit den Ladungstransferprozessen einhergehenden Konformationsänderungen der die Redoxzentren umgebenden Gruppen (CONH-Gerüst und Aminosäure-Seitenketten) können durch Infrarot-Spektroskopie nachgewiesen werden. Phasensensitive Detektion (PSD) wird zur Rauschminderung eingesetzt, um Geschwindigkeitskonstanten für die Redox-Übergänge zu bestimmen. Im Bereich der Amid-I-Bande werden etliche Peaks identifiziert, die sich mit dem Redoxzustand des Proteins ändern. Für das CuA-Zentrum, welches als erstes der vier Redoxzentren der CcO reduziert wird, wird die schnellste Geschwindigkeitskonstante ks=4870/s ermittelt. Für das Häm a3-Zentrum wird eine Geschwindigkeitskonstante von ks=13,8/s ermittelt. Die Ergebnisse sind konsistent zu elektrochemischen und Raman-Spektroskopie-Experimenten, welche ebenfalls in unserer Gruppe durchgeführt wurden. Weitere Themen dieser Dissertation sind der Nachweis der Anwendbarkeit des ptBLM-Systems für andere Membranproteine (Beispiel: bakterielles photosynthetisches Reaktionszentrum) und der Einsatz des ATR-FTIR-Setups für verschiedene künstliche Membransysteme (Aktivitätsnachweis des OR5-Geruchsrezeptors in einer peptidgestützten Membran, Eigenschaften eines Oligoethylenglycol-Spacers).

Elastizität porenüberspannender Membranen: eine kraftmikroskopische Studie

Membranen spielen eine essentielle Rolle bei vielen wichtigen zellulären Prozessen. Sie ermöglichen die Erzeugung von chemischen Gradienten zwischen dem Zellinneren und der Umgebung. Die Zellmembran übernimmt wesentliche Aufgaben bei der intra- und extrazellulären Signalweiterleitung und der Adhäsion an Oberflächen. Durch Prozesse wie Endozytose und Exozytose werden Stoffe in oder aus der Zelle transportiert, eingehüllt in Vesikel, welche aus der Zellmembran geformt werden. Zusätzlich bietet sie auch Schutz für das Zellinnere. Der Hauptbestandteil einer Zellmembran ist die Lipiddoppelschicht, eine zweidimensionale fluide Matrix mit einer heterogenen Zusammensetzung aus unterschiedlichen Lipiden. In dieser Matrix befinden sich weitere Bausteine, wie z.B. Proteine. An der Innenseite der Zelle ist die Membran über Ankerproteine an das Zytoskelett gekoppelt. Dieses Polymernetzwerk erhöht unter anderem die Stabilität, beeinflusst die Form der Zelle und übernimmt Funktionenrnbei der Zellbewegung. Zellmembranen sind keine homogenen Strukturen, je nach Funktion sind unterschiedliche Lipide und Proteine in mikrsokopischen Domänen angereichert.Um die grundlegenden mechanischen Eigenschaften der Zellmembran zu verstehen wurde im Rahmen dieser Arbeit das Modellsystem der porenüberspannenden Membranen verwendet.Die Entwicklung der porenüberspannenden Membranen ermöglicht die Untersuchung von mechanischen Eigenschaften von Membranen im mikro- bis nanoskopischen Bereich mit rasterkraftmikroskopischen Methoden. Hierbei bestimmen Porosität und Porengröße des Substrates die räumliche Auflösung, mit welcher die mechanischen Parameter untersucht werdenrnkönnen. Porenüberspannende Lipiddoppelschichten und Zellmembranen auf neuartigen porösen Siliziumsubstraten mit Porenradien von 225 nm bis 600 nm und Porositäten bis zu 30% wurden untersucht. Es wird ein Weg zu einer umfassenden theoretischen Modellierung der lokalen Indentationsexperimente und der Bestimmung der dominierenden energetischen Beiträge in der Mechanik von porenüberspannenden Membranen aufgezeigt. Porenüberspannende Membranen zeigen eine linear ansteigende Kraft mit zunehmender Indentationstiefe. Durch Untersuchung verschiedener Oberflächen, Porengrößen und Membranen unterschiedlicher Zusammensetzung war es für freistehende Lipiddoppelschichten möglich, den Einfluss der Oberflächeneigenschaften und Geometrie des Substrates, sowie der Membranphase und des Lösungsmittels auf die mechanischen Eigenschaften zu bestimmen. Es ist möglich, die experimentellen Daten mit einem theoretischen Modell zu beschreiben. Hierbei werden Parameter wie die laterale Spannung und das Biegemodul der Membran bestimmt. In Abhängigkeit der Substrateigenschaften wurden für freitragende Lipiddoppelschichten laterale Spannungen von 150 μN/m bis zu 31 mN/m gefunden für Biegemodulde zwischen 10^(−19) J bis 10^(−18) J. Durch Kraft-Indentations-Experimente an porenüberspannenden Zellmembranen wurde ein Vergleich zwischen dem Modell der freistehenden Lipiddoppelschichten und nativen Membranen herbeigeführt. Die lateralen Spannungen für native freitragende Membranen wurden zu 50 μN/m bestimmt. Weiterhin konnte der Einfluss des Zytoskeletts und der extrazellulä-rnren Matrix auf die mechanischen Eigenschaften bestimmt und innerhalb eines basolateralen Zellmembranfragments kartiert werden, wobei die Periodizität und der Porendurchmesser des Substrates das räumliche Auflösungsvermögen bestimmen. Durch Fixierung der freistehenden Zellmembran wurde das Biegemodul der Membran um bis zu einem Faktor 10 erhöht. Diese Arbeit zeigt wie lokal aufgelöste, mechanische Eigenschaften mittels des Modellsystems der porenüberspannenden Membranen gemessen und quantifiziert werden können. Weiterhin werden die dominierenden energetischen Einflüsse diskutiert, und eine Vergleichbarkeit zurnnatürlichen Membranen hergestellt.rn

Der enzymatische und anti-oxidative Mechanismus des anti-atherogenen Enzyms Paraoxonase-2

Das humane Enzym PON2 ist in eine Vielzahl pathophysiologischer Prozesse involviert und ist durch zwei Funktionen gekennzeichnet - eine enzymatische Laktonase-Aktivität und eine anti-oxidative Aktivität. Durch die Laktonase-Aktivität hydrolysiert PON2 vorwiegend das bakterielle Signalmolekül 3oxoC12. PON2 ist als Bestandteil des angeborenen Immunsystems anzusehen und trägt wahrscheinlich zur Immunabwehr gegen Infektionen mit den human-pathogenen Pseudomonas aeruginosa Bakterien bei. Durch die anti-oxidative Aktivität vermindert PON2 oxidative Schäden und verringert redox-abhängige pro-apoptotische Stimulation. Diese einzigartige Funktion von PON2 ist jedoch ambivalent zu betrachten, da hohe PON2-Spiegel zwar Arteriosklerose reduzieren können, aber im Verdacht stehen Tumorzellen zu stabilisieren.rnIn dieser Arbeit wurden die noch unbekannten Mechanismen und der Zusammenhang der enzymatischen und der anti-oxidativen Aktivität analysiert. In diesem Rahmen wurde gezeigt, dass PON2 spezifisch die Superoxidfreisetzung an Komplex I und III der Atmungskette in der inneren Mitochondrienmembran reduzieren kann. PON2 veränderte dabei weder die Aktivitäten der Superoxiddismutasen noch die Cytochrom C-Expression. Weiterhin konnte in dieser Arbeit erstmals gezeigt werden, dass PON2 O2- nicht direkt abbaut, sondern vielmehr dessen Bildung verhindert. Diese Erkenntnisse implizieren, dass PON2 die anti-oxidative Aktivität über eine Beeinflussung des Quinon-Pools vermittelt. Anhand von verschiedenen Punktmutationen konnte gezeigt werden, dass die Histidinreste-114 und -133 für die Laktonase-Aktivität essentiell sind. Weiterhin wurden die Glykosylierungsstellen von PON2 identifiziert und gezeigt, dass die Glykosylierung, nicht aber der natürliche Polymorphismus Ser/Cys311 für die Laktonase-Aktivität von Bedeutung ist. Von besonderer Bedeutung ist, dass keine dieser Mutationen die anti-oxidative Aktivität beeinflusste, wodurch erstmals die Unabhängigkeit der beiden Funktionen von PON2 gezeigt werden konnte. rnEs war bekannt, dass PON2 gegen intrinsische und ER-Stress-induzierte Apoptose schützt. Die Spezifität der anti-oxidativen / anti-apoptotischen Wirkung wurde hier an einem weiteren pathophysiologischen Modell untersucht. 7-Ketocholesterol (7-KC) ist der Hauptbestandteil des pro-arteriosklerotischen oxLDL und verursacht in Zellen des Gefäßsystems ER-Stress, oxidativen Stress und Apoptose. Unerwarteterweise konnte PON2 Endothelzellen nicht gegen den 7-KC-induzierten Zelltod schützen. Mehrere unabhängige experimentelle Ansätze belegen, dass 7-KC in Endothelzellen im Gegensatz zu Gefäßmuskelzellen den Zelltod über Autophagie und nicht über ER-Stress oder intrinsische Apoptose bewirkt. Weiterhin führt 7-KC, wie auch 3oxoC12 und Thapsigargin zu einem Abbau der PON2-mRNA, die über die 5’UTR der PON2-mRNA vermittelt wird. Diese Arbeit vermittelt detaillierte mechanistische Einsichten in die Funktionen von PON2, die für ihre Rolle bei Arteriosklerose, in der körpereigenen Immunabwehr und bei Krebs entscheidend sind.rn

Time-resolved surface enhanced resonance Raman spectro-electrochemistry of heme proteins

The membrane protein Cytochrome c Oxidase (CcO) is one of the most important functional bio-molecules. It appears in almost every eukaryotic cell and many bacteria. Although the different species differ in the number of subunits, the functional differences are merely marginal. CcO is the terminal link in the electron transfer pathway of the mitochondrial respiratory chain. Electrons transferred to the catalytic center of the enzyme conduce to the reduction of molecular oxygen to water. Oxygen reduction is coupled to the pumping of protons into the inter-membrane space and hence generates a difference in electrochemical potential of protons across the inner mitochondrial membrane. This potential difference drives the synthesis of adenosine triphosphate (ATP), which is the universal energy carrier within all biological cells. rnrnThe goal of the present work is to contribute to a better understanding of the functional mechanism of CcO by using time-resolved surface enhanced resonance Raman spectroscopy (TR-SERRS). Despite intensive research effort within the last decades, the functional mechanism of CcO is still subject to controversial discussions. It was the primary goal of this dissertation to initiate electron transfer to the redox centers CuA, heme a, heme a3 and CuB electrochemically and to observe the corresponding redox transitions in-situ with a focus on the two heme structures by using SERRS. A measuring cell was developed, which allowed combination of electrochemical excitation with Raman spectroscopy for the purpose of performing the accordant measurements. Cytochrome c was used as a benchmark system to test the new measuring cell and to prove the feasibility of appropriate Raman measurements. In contrast to CcO the heme protein cc contains only a single heme structure. Nevertheless, characteristic Raman bands of the hemes can be observed for both proteins.rnrnIn order to investigate CcO it was immobilized on top of a silver substrate and embedded into an artificial membrane. The catalytic activity of CcO and therefore the complete functional capability of the enzyme within the biomimetic membrane architecture was verified using cyclic voltammetry. Raman spectroscopy was performed using a special nano-structured silver surface, which was developed within the scope of the present work. This new substrate combined two fundamental properties. It facilitated the formation of a protein tethered bilayer lipid membrane (ptBLM) and it allowed obtaining Raman spectra with sufficient high signal-to-noise ratios.rnSpectro-electrochemical investigations showed that at open circuit potential the enzyme exists in a mixed-valence state, with heme a and and heme a3 in the reduced and oxidized state, respectively. This was considered as an intermediate state between the non-activated and the fully activated state of CcO. Time-resolved SERRS measurements revealed that a hampered electron transfer to the redox center heme a3 characterizes this intermediate state.rn

Die Rolle der humanen Enzyme Paraoxonase-2 und -3 bei Krebserkrankungen und Pseudomonas-Infektionen

Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Charakterisierung molekularer Funktionen humaner Paraoxonase (PON) Enzyme, insbesondere die der Proteine PON2 und PON3 im Hinblick auf medizinisch-relevante Fragestellungen. Zum einen wurde die Rolle von PON3 in der Tumorgenese und zum anderen eine mögliche Schutzfunktion von PON2 und PON3 gegenüber P. aeruginosa Infektionen untersucht. Bereits seit dem Jahr 2000 ist die anti-oxidative Eigenschaft von PON3 bekannt, jedoch war der zugrundeliegende Mechanismus bisher ungeklärt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass PON3 die Superoxid-Entstehung in den Mitochondrien abschwächt, wobei sie ihre anti-oxidative Eigenschaft vermutlich durch eine direkte Coenzym Q10-Interaktion in der inneren mitochondrialen Membran vermittelt. Dies führt zu weniger oxidativen Stress, zur Abschwächung mitochondrial-induzierter apoptotischer Signalwege und zur erhöhten Resistenz gegenüber Chemotherapeutika. Gleichzeitig wurde demonstriert, dass sich Tumorzellen diese anti-oxidative Eigenschaft zu Nutze machen. PON3 war in zahlreichen Tumorgeweben überexprimiert. Es konnte eine mögliche Funktion von PON3 als Tumormarker und Angriffspunkt in der Krebstherapie aufgezeigt werden. Die hier erlangten Daten liefern wertvolle Hinweise auf die Rolle von PON3 in Krebserkrankungen, welche eine Basis für zukünftige Analysen darstellen, die der Entwicklung neuer Krebstherapien dienen könnten. Ein weiterer Teil der Arbeit befasste sich mit der gegenseitigen Beeinflussung der Enzyme PON2 / PON3 und der für P.aeruginosa essentiellen Virulenzfaktoren Pyocyanin (PCN) und dem Lacton 3OC12. Erstmalig wurde gezeigt, dass PON3 zellschädigende PCN-Effekte abschwächen kann, nämlich die PCN-induzierte Superoxid-Produktion, NF-kB-Aktivierung und IL-8-Sekretion. PON2 schützt in gleicher Weise gegen PCN und hydrolysiert zugleich noch das Lacton 3OC12. Folglich sind PON2 und PON3 wichtige Bestandteile der angeborenen Immunität, werden jedoch durch eine 3OC12-induzierte Ca2+-Mobilisation inaktiviert. Weitere Analysen ergaben, dass die PON2-Inaktivierung wahrscheinlich über einen Ca2+ / Calcineurin / Calmodulin-abhängigen Signalweg erfolgt, welcher eine offenbar regulative Serin311-Dephosphorylierung in PON2 vermittelt. Ähnliches könnte für PON3 gelten und wird derzeit erforscht, da eine Stabilisierung der enzymatischen Aktivitäten von PON2 und PON3 der bakteriellen Virulenz entscheidend entgegen wirken könnte.

Evolutionäre Veränderungen in der Nutzung redox-aktiver Aminosäuren und ihre Ursachen

Gewebe, Zellen und speziell Zellkompartimente unterscheiden sich in ihrer Sauerstoffkonzentration, Stoffwechselrate und in der Konzentration an gebildeten reaktiven Sauerstoffspezies. Um eine mögliche Änderung in der Aminosäurennutzung durch den Einfluss von Sauerstoff und seinen reaktiven Spezies untersuchen zu können wurden, Bereiche bzw. Kompartimente der menschlichen Zelle definiert, die einen Referenzrahmen bildeten und bekannt dafür sind, einen relativ hohen Grad an reaktiven Sauerstoffspezies aufzuweisen. Aus dem Vergleich wurde deutlich, dass vor allem die beiden redox-aktiven und schwefeltragenden Aminosäuren Cystein und Methionin durch eine besondere Verteilung und Nutzung charakterisiert sind. Cystein ist hierbei diejenige Aminosäure mit den deutlichsten Änderungen in den fünf untersuchten Modellen der oxidativen Belastung. In all diesen Modellen war die Nutzung von Cystein deutlich reduziert, wohingegen Methionin in Proteinen des Mitochondriums und der Elektronentransportkette angereichert war. Dieser auf den ersten Blick paradoxe Unterschied zwischen Cystein und Methionin wurde näher untersucht, indem die differenzierte Methioninnutzung in verschiedenen Zellkompartimenten von Homo sapiens charakterisiert wurde.rnDie sehr leicht zu oxidierende Aminosäure Methionin zeigt ein ungewöhnliches Verteilungsmuster in ihrer Nutzungshäufigkeit. Entgegen mancher Erwartung wird Methionin in zellulären Bereichen hoher oxidativer Belastung und starker Radikalproduktion intensiv verwendet. Dieses Verteilungsmuster findet man sowohl im intrazellulären Vergleich, als auch im Vergleich verschiedener Spezies untereinander, was daraufhin deutet, dass es einen lokalen Bedarf an redox-aktiven Aminosäuren gibt, der einen sehr starken Effekt auf die Nutzungshäufigkeit von Methionin ausübt. Eine hohe Stoffwechselrate, die im Allgemeinen mit einer erhöhten Produktion von Oxidantien assoziiert wird, scheint ein maßgeblicher Faktor der Akkumulation von Methionin in Proteinen der Atmungskette zu sein. Die Notwendigkeit, oxidiertes Antioxidans wieder zu reduzieren, findet auch bei Methionin Anwendung, denn zu Methioninsulfoxid oxidiertes Methionin wird durch die Methioninsulfoxidreduktase wieder zu Methionin reduziert. Daher kann die spezifische Akkumulation von Methionin in Proteinen, die verstärkt reaktiven Sauerstoffspezies ausgesetzt sind, als eine systematische Strategie angesehen werden, um andere labile Strukturen vor ungewollter Oxidation zu schützen. rnDa Cystein in allen untersuchten Modellen der oxidativen Belastung und im Besonderen in Membranproteinen der inneren Mitochondrienmembran lebensspannenabhängig depletiert war, wurde dieses Merkmal näher untersucht. Deshalb wurde die Hypothese getestet, ob ein besonderer Redox-Mechanismus der Thiolfunktion für diese selektive Depletion einer im Allgemeinen als harmlos oder antioxidativ geltenden Aminosäure verantwortlich ist. Um den Effekt von Cysteinresten in Membranen nachzustellen, wurden primäre humane Lungenfibroblasten (IMR90) mit diversen Modellsubstanzen behandelt. Geringe Konzentrationen der lipophilen Substanz Dodecanthiol verursachten eine signifikante Toxizität in IMR90-Zellen, die von einer schnellen Zunahme an polyubiquitinierten Proteinen und anderen Indikatoren des proteotoxischen Stresses, wie Sequestosom 1 (P62), HSP70 und HSP90 begleitet wurde. Dieser Effekt konnte spezifisch der Chemie der Thiolfunktion in Membranen zugeordnet werden, da Dodecanol (DOH), Dodecylmethylsulfid (DMS), Butanthiol oder wasserlösliche Thiole weder eine cytotoxische Wirkung noch eine Polyubiquitinierung von Proteinen verursachten. Die Ergebnisse stimmen mit der Hypothese überein, dass Thiole innerhalb von biologischen Membranen als radikalische Kettentransferagentien wirken. Diese Eigenschaft wird in der Polymerchemie durch Nutzung von lipophilen Thiolen in hydrophoben Milieus technisch für die Produktion von Polymeren benutzt. Da die Thiylradikal-spezifische Reaktion von cis-Fettsäuren zu trans-Fettsäuren in 12SH behandelten Zellen verstärkt ablief, kann gefolgert werden, dass 12SH zellulär radikalisiert wurde. In lebenden Organismen kann demnach die Oxidation von Cystein die Schädigung von Membranen beschleunigen und damit Einfallstore für die laterale Radikalisierung von integralen Membranproteinen schaffen, welche möglicherweise der Langlebigkeit abträglich ist, zumindest, wenn sie in der inneren Mitochondrienmembran auftritt.

An essential bacterial-type cardiolipin synthase mediates cardiolipin formation in a eukaryote

Cardiolipin is important for bacterial and mitochondrial stability and function. The final step in cardiolipin biosynthesis is catalyzed by cardiolipin synthase and differs mechanistically between prokaryotes and eukaryotes. To study the importance of cardiolipin synthesis for mitochondrial integrity, membrane protein complex formation, and cell proliferation in the human and animal pathogenic protozoan parasite, Trypanosoma brucei, we generated conditional cardiolipin synthase-knockout parasites. We found that cardiolipin formation in T. brucei procyclic forms is catalyzed by a bacterial-type cardiolipin synthase, providing experimental evidence for a prokaryotic-type cardiolipin synthase in a eukaryotic organism. Ablation of enzyme expression resulted in inhibition of de novo cardiolipin synthesis, reduction in cellular cardiolipin levels, alterations in mitochondrial morphology and function, and parasite death in culture. By using immunofluorescence microscopy and blue-native gel electrophoresis, cardiolipin synthase was shown to colocalize with inner mitochondrial membrane proteins and to be part of a large protein complex. During depletion of cardiolipin synthase, the levels of cytochrome oxidase subunit IV and cytochrome c1, reflecting mitochondrial respiratory complexes IV and III, respectively, decreased progressively.

Toxicity of thienopyridines on human neutrophil granulocytes and lymphocytes

Thienopyridines can cause neutropenia and agranulocytosis. The aim of the current investigations was to compare cytotoxicity of ticlopidine, clopidogrel, clopidogrel carboxylate and prasugrel for human neutrophil granulocytes with the toxicity for lymphocytes and to investigate underlying mechanisms. For granulocytes, clopidogrel, ticlopidine, clopidogrel carboxylate and prasugrel were concentration-dependently toxic starting at 10μM. Cytotoxicity could be prevented by the myeloperoxidase inhibitor rutin, but not by the cytochrome P450 inhibitor ketoconazole. All compounds were also toxic for lymphocytes, but cytotoxicity started at 100μM and could not be prevented by rutin or ketoconazole. Granulocytes metabolized ticlopidine, clopidogrel, clopidogrel carboxylate and prasugrel, and metabolization was inhibited by rutin, but not by ketoconazole. Metabolism of these compounds by lymphocytes was much slower and could not be inhibited by ketoconazole or rutin. In neutrophils, all compounds investigated decreased the electrical potential across the inner mitochondrial membrane, were associated with cellular accumulation of ROS, mitochondrial loss of cytochrome c and induction of apoptosis starting at 10μM. All of these effects could be inhibited by rutin, but not by ketoconazole. Similar findings were obtained in lymphocytes; but compared to neutrophils, the effects were detectable only at higher concentrations and were not inhibited by rutin. In conclusion, ticlopidine, clopidogrel, clopidogrel carboxylate and prasugrel are toxic for both granulocytes and lymphocytes. In granulocytes, cytotoxicity is more accentuated than in lymphocytes and depends on metabolization by myeloperoxidase. These findings suggest a mitochondrial mechanism for cytotoxicity for both myeloperoxidase-associated metabolites and, at higher concentrations, also for the parent compounds.