Modeling physiological processes in plankton on enzyme kinetic principles

[EN] Many ecologically important chemical transformations in the ocean are controlled by biochemical enzyme reactions in plankton. Nitrogenase regulates the transformation of N2 to ammonium in some cyanobacteria and serves as the entryway for N2 into the ocean biosphere. Nitrate reductase controls the reduction of NO3 to NO2 and hence new production in phytoplankton. The respiratory electron transfer system in all organisms links the carbon oxidation reactions of intermediary metabolism with the reduction of oxygen in respiration. Rubisco controls the fixation of CO2 into organic matter in phytoplankton and thus is the major entry point of carbon into the oceanic biosphere. In addition to these, there are the enzymes that control CO2 production, NH4 excretion and the fluxes of phosphate. Some of these enzymes have been recognized and researched by marine scientists in the last thirty years. However, until recently the kinetic principles of enzyme control have not been exploited to formulate accurate mathematical equations of the controlling physiological expressions. Were such expressions available they would increase our power to predict the rates of chemical transformations in the extracellular environment of microbial populations whether this extracellular environment is culture media or the ocean. Here we formulate from the principles of bisubstrate enzyme kinetics, mathematical expressions for the processes of NO3 reduction, O2 consumption, N2 fixation, total nitrogen uptake.

Azione antiossidante del sulforafane: analisi in cellule cardiache in coltura ed in un modello animale di esercizio fisico

Oxidative stress is considered to be of major relevance for a variety of pathological processes. Thus, it is valuable to identify compounds, which might act as antioxidants, i.e. compounds that antagonize the deleterious action of reactive oxygen species (ROS) on biomolecules. The mode of action of these compounds could be either to scavenge ROS directly or to trigger protective mechanisms inside the cell, thereby resulting in improved defense against ROS. Sulforaphane (SF) (1-isothiocyanato-(4R)-(methylsulfinyl)butane) is a naturally occurring cancer chemopreventive agent found as a precursor glucosinolate in Cruciferous vegetables like broccoli. Although SF is not a direct-acting antioxidant, there is substantial evidence that SF acts indirectly to increase the antioxidant capacity of animal cells and their abilities to cope with oxidative stress. Induction of phase 2 enzymes is one means by which SF enhances the cellular antioxidant capacity. Enzymes induced by SF include Glutathione S-transferases (GST) and NAD[P]H:quinone oxidoreductase (NQO1) which can function as protectors against oxidative stress. To protect themselves from oxidative stress, cells are equipped with reducing buffer systems including the GSH and thioredoxin (Trx) reductase. GSH is an important tripeptide thiol which in addition to being the substrate for GSTs maintains the cellular oxidation– reduction balance and protects cells against free radical species. Aim of the first part of this thesis was to investigate the ability of SF to induce the expression and the activity of different phase 2 and antioxidant enzymes (such as GST, GR, GPx, NQO1, TR, SOD, CAT) in an in vitro model of rat cardiomyocytes, and also to define if SF treatment supprts cells in counteracting oxidative stress induced by H2O2 It is well known that acute exhaustive exercise causes significant reactive oxygen species generation that results in oxidative stress, which can induce negative effects on health and well being. In fact, increased oxidative stress and biomarkers (e.g., protein carbonyls, MDA, and 8- hydroxyguanosine) as well as muscle damage biomarkers (e.g. plasmatic Creatine cinase and Lactate dehydrogenase) have been observed after supramaximal sprint exercises, exhaustive longdistance cycling or running as well as resistance-type exercises, both in trained and untrained humans. Markers of oxidative stress also increase in rodents following exhaustive exercise. Moreover, antioxidant enzyme activities and expressions of antioxidant enzymes are known to increase in response to exhaustive exercise in both animal and human tissues. Aim of this project was to evaluate the effect of SF supplementation in counteracting oxidative stress induced by physical activity through its ability to induce phase 2, and antioxidant enzymes in rat muscle. The results show that SF is a nutraceutical compound able to induce the activity of different phase 2 and antioxidant enzymes in both cardiac muscle and skeletal muscle. Thanks to its actions SF is becoming a promising molecule able to prevent cardiovascular damages induced by oxidative stress and muscle damages induced by acute exhaustive exercise.

Variation in peach fruit susceptibility to Monilinia laxa and gene expression

Brown rot caused by Monilinia laxa and Monilinia fructigena is considered one of the most important diseases affecting Prunus species. Although some losses can result from the rotten fruits in the orchard, most of the damage is caused to fruits during the post-harvest phase. Several studies reported that brown rot incidence during fruit development highly varies; it was found that at a period corresponding to the the pit hardening stage, fruit susceptibility drastically decreases, to be quickly restored afterwards. However the molecular basis of this phenomenon is still not well understood. Furthermore, no difference in the rot incidence was found between wound and un-wound fruits, suggesting that resistance associated more to a specifc biochemical response of the fruit, rather than to a higher mechanical resistance. So far, the interaction Monilinia-peach was analyzed through chemical approaches. In this study, a bio-molecular approach was undertaken in order to reveal alteration in gene expression associated to the variation of susceptibility. In this thesis three different methods for gene expression analysis were used to analyze the alterations in gene expression occurring in peach fruits during the pit hardening stage, in a period encompassing the temporary change in Monilinia susceptibility: real time PCR, microarray and cDNA AFLP techniques. In 2005, peach fruits (cv.K2) were weekly harvested during a 19-week long-period, starting from the fourth week after full bloom, until full maturity. At each sampling time, three replicates of 5 fruits each were dipped in the M.laxa conidial suspension or in distilled water, as negative control. The fruits were maintained at room temperature for 3 hours; afterwards, they were peeled with a scalpel; the peel was immediately frozen in liquid nitrogen and transferred to -80 °C until use. The degree of susceptibility of peach fruit to the pathogen was determined on 3 replicates of 20 fruits each, as percentage of infected fruits, after one week at 20 °C. Real time PCR analysis was performed to study the variation in expression of those genes encoding for the enzymes of the phenylpropanoid pathway (phenylalanine ammonia lyase (PAL), chalcone synthase (CHS), cinnamate 4-hydroxylase (C4H), leucoanthocyanidine reductase (LAR), hydroxycinnamoyl CoA quinate hydroxycinnamoyl transferase (HQT) and of the jasmonate pathway, such as lipoxygenase (LOX), both involved in the production of important defense compounds. Alteration in gene expression was monitored on fruit samples of a period encompassing the pit hardening stage and the corresponding temporary resistance to M.laxa infections, weekly, from the 6thto the 12th week after full bloom (AFB) inoculated with M. laxa or mock-inoculated. The data suggest a critical change in the expression level of the phenylpropanoid pathway from the 7th to the 8th week AFB; such change could be directly physiologically associated to the peach growth and it could indirectly determine the decrease of susceptibility of peach fruit to Monilinia rot during the subsequent weeks. To investigate on the transcriptome variation underneath the temporary loss of susceptibility of peach fruits to Monilinia rot, the microarray and the cDNA AFLP techniques were used. The samples harvested on the 8th week AFB (named S, for susceptible ones) and on the 12th week AFB (named R, for resistant ones) were compared, both inoculated or mock-inoculated. The microarray experiments were carried out at the University of Padua (Dept. of Environmental Agronomy and Crop Science), using the μPEACH1.0 microarray together with the suited protocols. The analysis showed that 30 genes (corresponding to the 0.6% of the total sequences (4806) contained in the μPeach1.0 microarray) were found up-regulated and 31 ( 0.6%) down regulated in RH vs. SH fruits. On the other hand, 20 genes (0.4%) were shown to be up-regulated and 13 (0.3%) down-regulated in the RI vs. SI fruit. No genes were found differentially expressed in the mock-inoculated resistant fruits (RH) vs. the inoculated resistant ones (RI). Among the up-regulated genes an ATP sulfurylase, an heat shock protein 70, the major allergen Pru P1, an harpin inducing protein and S-adenosylmethionine decarboxylase were found, conversely among the down-regulated ones, cinnamyl alcohol dehydrogenase, an histidine- containing phosphotransfer protein and the ferritin were found. The microarray experimental results and the data indirectly derived, were tested by Real Time PCR analysis. cDNA AFLP analysis was also performed on the same samples. 339 transcript derived fragments considered significant for Monilinia resistance, were selected, sequenced and classified. Genes potentially involved in cell rescue and defence were well represented (8%); several genes (12.1%) involved in the protein folding, post-transductional modification and genes (9.2%) involved in cellular transport were also found. A further 10.3% of genes were classified as involved in the metabolism of aminoacid, carbohydrate and fatty acid. On the other hand, genes involved in the protein synthesis (5.7%) and in signal transduction and communication (5.7%) were found. Among the most interesting genes found differentially expressed between susceptible and resistant fruits, genes encoding for pathogenesis related (PR) proteins were found. To investigate on the association of Monilinia resistance and PR biological function, the major allergen Pru P1 (GenBank accession AM493970) and its isoform (here named Pru P2), were expressed in heterologous system and in vitro assayed for their anti-microbial activity. The ribonuclease activity of the recombinant Pru P1 and Pru P2 proteins was assayed against peach total RNA. As the other PR10 proteins, they showed a ribonucleolytic activity, that could be important to contrast pathogen penetration. Moreover Pru P1 and Pru P2 recombinant proteins were checked for direct antimicrobial activity. No inhibitory effect of Pru P1 or Pru P2 was detected against the selected fungi.

Alimenti Funzionali e Componenti Nutraceutici come Biomodulatori

Recent knowledge supports the hypothesis that, beyond meeting nutrition needs, diet may modulate various functions in the body and play beneficial roles in some diseases. Research on functional foods is addressing the physiologic effects and health benefits of foods and food components, with the aim of authorizing specific health claims. The recognition that oxidative stress plays a major role in the pathophysiology of cardiac disorders has led to extensive investigations of the protective effects of exogenous antioxidants, but results are controversial. A promising strategy for protecting cardiac cells against oxidative damage may be through the induction of endogenous phase 2 enzymes with the enhancement of cellular antioxidant capacity. Sulforaphane (SF), a naturally occurring isothiocyanate abundant in Cruciferous vegetables, has gained attention as a potential chemopreventive compound thanks to its ability to induce several classes of genes implicated in reactive oxygen species (ROS) and electrophiles detoxification. Antioxidant responsive element (ARE)-mediated gene induction is a pivotal mechanism of cellular defence against the toxicity of electrophiles and ROS. The transcription factor NF-E2-related factor-2 (Nrf2), is essential for the up-regulation of these genes. We investigated whether SF could exert cardioprotective effects against oxidative stress and elucidated the mechanisms underpinning these effects. Accordingly, using cultured rat neonatal cardiomyocytes as a model system, we evaluated the time-dependent induction of gene transcription, the corresponding protein expression and activity of various antioxidant and phase 2 enzymes (catalase, superoxide dismutase, glutathione and related enzymes glutathione reductase, glutathione peroxidase and glutathione S-transferase, NAD(P)H: quinone oxidoreductase 1 and thioredoxine reductase) elicited by SF. The results were correlated to intracellular ROS production and cell viability after oxidative stress generated by H2O2, and confirmed the ability of SF to exert cytoprotective effects acting as an indirect antioxidant. Furthermore, to get better insight into SF mechanism of action, we investigated the effect of SF treatment on Nrf2 and the upstream signalling pathways MAPK ERK1/2 and PI3K/Akt, known to mediate a pro survival signal in the heart. The use of specific inhibitors of ERK1/2 and Akt phosphorylation demonstrated their involvement in phase 2 enzymes induction. The concentration of SF tested in this study is comparable to peak plasma concentration achieved after dietary exposure giving clear relevance to our data to support dietary intake of Cruciferous vegetables in cytoprotection against oxidative stress, a common determinant of many cardiovascular diseases.

Role of reactive oxygen and nitrogen species in the response of Prunus spp. to bicarbonate

In calcareous soils, which are a large share of agricultural soils worldwide, iron availability is limited. Consequently, the whole plant physiology is affected, because of the key role of iron in redox metabolism, resulting in reduced crop yield and quality. Peach cultivation is economically important in northern Italy, and is easily subjected to iron chlorosis. The management of iron nutrition in peach includes grafting on bicarbonate-tolerant rootstocks; other forms of management may be expensive and environmentally impacting. Four genotypes, used as rootstocks for peach and characterized by different degrees of tolerance to chlorosis, were tested in vitro on optimal and bicarbonate-enriched medium. Their redox status and antioxidant responses were assayed; the production and possible roles of nitric oxide (NO) and related compounds were also studied. The most sensitive genotypes show a stronger reduction of the antioxidant enzymatic activities and an increased oxidative stress. A high production of NO was found to be associated to resistant genotypes, whereas sensitive genotypes reacted to stress by downregulating nitrosoglutathione reductase activity. Therefore, NO is proposed to improve the internal iron availability, or to stimulate iron intake.

Aktivierung des Sauerstoffsensors FNR von Escherichia coli durch Glutathion in vivo und in vitro

Der Sauerstoffsensor FNR (Fumarat-Nitratreduktase-Regulator) von Escherichia coli spielt eine wichtige Rolle beim Umschalten vom aeroben zum anaeroben Stoffwechsel. FNR ist ein Transkriptionsregulator, der im aktiven Zustand ein [4Fe4S]-Zentrum besitzt. Bei Kontakt mit Sauerstoff zerfällt das [4Fe4S]- zu einem [2Fe2S]-Zentrum und führt zum Verlust der Aktivität von FNR. Die Reaktionen, die zum Aufbau des [4Fe4S]-Zentrums und der reduktiven Aktivierung von aerob und anaerob isoliertem apoFNR führen, wurden in vivo und in vitro untersucht. Die Einfluß in vivo von Glutathion auf die Funktion von FNR und die Rolle von Glutathion beim Aufbau des [4Fe4S]-Zentrums in gereinigtem apoFNR zeigen die wichtige Bedeutung von Glutathion bei der de novo Assemblierung von [4Fe4S]FNR und bei der reduktiven Aktivierung von sauerstoff-inaktiviertem FNR. Die energetischen Parameter von E. coli und ihre Änderungen beim Übergang vom aeroben zum anaeroben Stoffwechsel wurden untersucht. Das elektrochemische Protonenpotential delta-p über der Cytoplasmamembran wurde im Gleichgewichtszustand in der aeroben Atmung und anaeroben Nitrat-, Fumarat- und Dimethylsulfoxid-Atmung bestimmt. Delta-p betrug in der aeroben Atmung -160 mV, in der anaeroben Atmung sank delta-p entgegen früheren Vermutungen lediglich um 20 mV. Die geringen Änderungen von delta-p können deshalb vermutlich nicht als regulatorisches Signal für das Umschalten vom aeroben zum anaeroben Stoffwechsel genutzt werden.

Rekonstitution des Fumaratsensors DcuS in Liposomen und Transport von Fumarat und Succinat in Escherichia coli

Das Zweikomponentenregulationssystem DcuSR kontrolliert die Expression der wichtigsten fumaratinduzierten Gene in Escherichia coli. Die Gene dcuB und dctA, die fürDicarboxylatcarrier kodieren, sowie das Fumaratreduktase-Operon (frd), sind Zielgene für DcuSR. DcuS ist eine membranständige Sensorkinase mit einer großen periplasmatischen Domäne. NMR-spektroskopische Untersuchungen dieser Domäne zeigen Alpha-Helices und Beta-Faltblätter. Für die Fumaratbindung wichtige Aminosäuren wurden durch Mutagenese identifiziert. Gereinigtes DcuS wurde in Liposomen rekonstituiert. In Anwesenheit von ATP wird DcuS autophosphoryliert. Der Phosphatrest kann dann auf DcuR übertragen werden und beweist somit die Aktivität dieses in vitro Testsystems.Der Transport von C4-Dicarboxylaten erfolgt unter anaeroben Bedingungen durch die sekundären Carrier DcuA, DcuB und DcuC. Es konnte ein weiteres Protein (DcuD) identifiziert werden, das hohe Sequenzähnlichkeit zu DcuC aufweist. Eine dcuD-Mutante zeigte keinen Phänotyp und überproduziertes DcuD konnte den Ausfall der anderen Dcu-Carrier nicht kompensieren. DcuD ist damit ein kryptisches Mitglied der Dcu-Carrierfamilie. Unter aeroben Bedingungen katalysiert DctA den Transport von C4-Dicarboxylaten. Dennoch können dctA-Mutanten noch mit Succinat wachsen. Die Diffusionsrate von Succinat durch Membranen wurde bestimmt. Sie ist um Größenordnungen niedriger als der Transport in der Mutante. Bei dem DctA unabhängigen Transportsystem handelt es sich um einen H+/Succinat2-Symporter, der bei saurem pH aktiv ist und viele Eigenschaften eines Monocarboxylatcarriers aufweist.

Untersuchungen zur induzierbaren Expression des Adhäsionsmoleküls E-Selektin und dessen potentieller Bedeutung bei der Tumormetastasierung

In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass sowohl die durch TNFalpha-, als auch durch Röntgenstrahlen vermittelte Expression des Adhäsionsmoleküls E-Selektin in Endothelzellen durch kleine GTPasen der Rho-Proteinfamilie reguliert ist. Hemmung dieser kleinen G-Proteine z.B. durch HMG-CoA Reduktase-Inhibitoren (Statine) oder clostridiale Toxine führt zu verminderter Expression von E-Selektin in humanen Endothelzellen (HUVEC; EA.hy-926). Aus den in der Arbeit erhaltenen Ergebnissen kann außerdem die Schlussfolgerung gezogen werden, dass die Regulation der zytokininduzierten E-Selektin-Genexpression von der gamma-Strahlen-vermittelten Expression des E-Selektingens differiert. Für die strahleninduzierte endotheliale E-Selektin-Expression scheint beispielsweise der Transkriptionsfaktor AP-1 als ein weiterer Kontrollfaktor neben NF-kappaB zu fungieren. Des Weiteren konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass eine gesteigerte E-Selektin-Proteinexpression mit erhöhter Tumorzelladhäsion und -transmigration an bzw. durch humane Endothelzellen korreliert. Hemmung der TNFalpha- bzw. gamma-Strahlen-induzierten Expression von E-Selektin durch Statine oder Retinsäuren ist ausreichend, sowohl Tumorzelladhäsion als auch Tumorzelldiapedese zu reduzieren. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass das Adhäsionsmolekül E-Selektin eine vielversprechende Zielstruktur ist, über deren kontrollierte Beeinflussung es auch in vivo möglich sein sollte, das Risiko der Metastasierung zu reduzieren. Mit Statinen und Retinsäurederivaten wurden somit Pharmaka identifiziert, die durch Hemmung der Rho-regulierten E-Selektin-Expression der Tumorzellmetastasierung vorbeugen könnten. Um diese Hypothese in zukünftigen tierexperimentelle Studien zu bestätigen, wurde im Rahmen dieser Arbeit mit der Generierung transgener Tiermodelle begonnen.

Etablierung von Expressionsystemen für Gene der Indolalkaloid-Biosynthese unter besonderer Berücksichtigung von Cytochrom P450-Enzymen

Etablierung von Expressionsystemen für Gene der Indolalkaloid-Biosynthese unter besonderer Berücksichtigung von Cytochrom P450-Enzymen In der vorliegenden Arbeit wurden Enzyme aus der Arzneipflanze Rauvolfia serpentina bearbeitet. Es wurde versucht, das an der Biosynthese des Alkaloids Ajmalin beteiligte Cytochrom P450-Enzym Vinorin-Hydroxylase heterolog und funktionell zu exprimieren. Ein zunächst unvollständiger, unbekannter Cytochrom P450-Klon konnte komplettiert und eindeutig mittels heterologer Expression in sf9-Insektenzellen als Cinnamoyl-Hydroxylase identifiziert werden. Die Tauglichkeit des Insektenzellsystems für die Untersuchung der Vinorin-Hydroxylase ist auf Grund der deacetylierenden Wirkung der Insektenzellen auf das Substrat Vinorin nicht gegeben. Im Rahmen des Homology Cloning Projektes konnten mehrere Volllängenklone und diverse Teilsequenzen von neuen Cytochrom P450-Klonen ermittelt werden. Ausserdem wurde durch das unspezifische Binden eines degenerierten Primers ein zusätzlicher Klon gefunden, der der Gruppe der löslichen Reduktasen zugeordnet werden konnte. Diese putative Reduktase wurde auf die Aktivität von mehreren Schlüsselenzymen der Ajmalin-Biosynthese durch heterologe Expression in E.coli und anschliessende HPLC-gestützte Aktivitätstests ohne Erfolg geprüft. Bedingt durch die Untauglichkeit des Insektenzellsystems für die Identifizierung der Vinorin-Hydroxylase, wurde ein neuartiges Modul-gestütztes, pflanzliches Expressionsystem etabliert, um vorhandene P450-Volllängenklone auf Vinorin- Hydroxylaseaktivität testen zu können. Die Funktionalität des Systems konnte durch die heterologe Expression der Polyneuridinaldehyd Esterase bestätigt werden. Trotzdem war es bis jetzt nicht möglich, die Cinnamoyl-Hydroxylase als Kontrollenzym für das pflanzliche System oder aber die gesuchte Vinorin- Hydroxylase in aktiver Form zu exprimieren.

Reinigung und Coexpression von Enzymen der Raubasin-Biosynthese

Die vorgestellten Arbeiten bezüglich der Biosynthese von pflanzlichen Indolalkaloiden können in einen molekularbiologischen und einen proteinche-mischen Teil aufgegliedert werden. Im molekularbiologischen Abschnitt stand die Entwicklung eines Vektorsystems im Vordergrund, das die gleichzeitige Expression mehrerer Enzyme in bakteriellen Kulturen erlaubte. Hierfür konnte zunächst die cDNA der Strictosidin-Synthase aus Rauvolfia serpentina in den Expressionsvektor pQE-70 einkloniert und das Protein aktiv exprimiert werden. Bevor es zum Einbau des Strictosidin-β-D-Glucosidase-Gens –ebenfalls aus Rauvolfia serpentina– kam, musste dessen Aktivität mit einer vorgeschalteten Ribosomenbindestelle sichergestellt werden. Diese zusätzliche Binderegion wurde an das 5’-Ende der cDNA angefügt, um die ungestörte Expression des Enzyms im späteren Coexpressions-System zu gewährleisten. Im Hinblick auf weiterführende Arbeiten in Bezug auf die komplette in vitro-Synthese bereits bekannter Alkaloide, wie z.B. das antiarrhythmisch wirkende Ajmalin oder das antihypertensiv wirkende Heteroyohimbin-Alkaloid Raubasin, wurde die ursprüngliche multiple-clonig-site des verwendeten Expressionsvektors pQE-70 um 27 zusätzliche Restriktionsschnittstellen (verteilt auf 253 bp) erweitert. Nach erfolgreicher Ligation der Strictosidin-β-D-Glucosidase-cDNA mit vorgeschalteter Ribosomenbindestelle an das 3’-Ende des Strictosidin-Synthase-Gens gelang die heterologe Coexpression beider Enzyme in einer homogenen Suspensionskultur des E. coli-Expressionsstamms M15. Dafür wurde das Vektorkonstrukt pQE-70bh-STR-RBS-SG entwickelt. Das Endprodukt der anschließenden enzymatischen Umsetzung von Tryptamin und Secologanin wurde über das Zwischenrodukt Strictosidin gebildet und konnte als Cathenamin identifiziert werden. Im proteinchemischen Teil der Dissertation wurde die Reinigung einer Cathenamin-Reduktase aus Zellsuspensionskulturen von Catharanthus roseus RC mit dem Ziel der partiellen Bestimmung der Aminosäuresequenz bearbeitet. Das gesuchte Enzym wandelte in einer NADPH-abhängigen Reaktion das Edukt Cathenamin in Raubasin um. Des weiteren wurde untersucht, wie viele Enzyme insgesamt an der Umwandlung von Cathenamin zu Raubasin und den eng verwandten Produkten Tetrahydroalstonin und 19-Epi-Raubasin beteiligt waren. Unter Anwendung eines hierfür entwickelten säulenchromatographischen Protokolls gelang die Reinigung einer Raubasin-bildenden Reduktase, deren Teilsequenz jedoch noch nicht bestimmt werden konnte. Die Anzahl der beteiligten Enzyme bei der Ausbildung von Raubasin, Tetrahydroalstonin und 19-Epi-Raubasin konnte auf mindestens zwei beziffert werden.

Endogene DNA-Schädigung als Ursache genetischer Instabilität

Zusammenfassung Diese Arbeit beschreibt Untersuchungen über die zellulären Mechanismen, die zur Bildung dieser DNA-Schäden führen, sowie über die biologischen Auswirkungen dieser Schäden. Die Untersuchungen zu Uracil in der DNA wurden in ung-knockout-MEFs und Mäusen durchgeführt, die es erlauben, die Konsequenzen eines Ausfalls der wichtigsten Reparaturglykosylase für Uracil zu beleuchten. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Akkumulation von Uracil in den ung-/--Mausfibroblasten im Vergleich zum Wildtyp. In frisch isolierten Leber- und Milzzellen der Mäuse konnte dieser genotypspezifische Unterschied, wenn auch weniger ausgeprägt, ebenso beobachtet werden, nicht jedoch in reifen Spermien. Dieser gewebespezifische Unterschied und die quantitativ stärker ausgeprägte Akkumulation in ung-/--Mausfibroblasten im Vergleich zu den Mäusegeweben gab Anlass zur Vermutung, dass die Proliferation der Zellen für den Haupteintrag an Uracil in die DNA verantwortlich ist. Erstmals konnte in Versuche mit konfluenten (nicht mehr proliferierenden) ung-/--Mausfibroblasten gezeigt werden, dass nicht die spontane hydrolytische Desaminierung von Cytosin, sondern der Fehleinbau von dUMP während der DNA-Replikation die Hauptquelle für Uracil in der DNA von Säugerzellen darstellt. Da der Uracilmetabolismus ein wichtiges Target in der Chemotherapie ist, lag es nahe, das zur Verfügung stehende ung-knockout-Modell der MEFs zur Untersuchung mit Fluorpyrimidinen, die als Zytostatika verwendet werden, einzusetzen. Da bisher die Ursachen der beobachteten Apoptose der Tumorzellen und aller anderen metabolisch hochaktiven Zellen eines behandelten Organismus noch nicht vollständig verstanden ist, wurden diese Zellen mit verschiedenen Fluorpyrimidinen behandelt, die als Thymidylatsynthasehemmer die de novo Synthese von Thymidin unterbinden. Es konnte gezeigt werden, dass ung-/- Mausfibroblasten, im Gegensatz zu ung+/+ Mausfibroblasten, verstärkt Uracil in der DNA akkumulieren. Obwohl die ung+/+ Mausfibroblasten keine erhöhten Uracil-Spiegel in der DNA aufwiesen, zeigten sie bei Inkubation mit einem der beiden Thymidylatsynthasehemmern, 5-Fluoruracil (5-FU), die gleiche Sensitivität in einem nachfolgenden Proliferationsversuch wie die ung-/- Mausfibroblasten. Dies lässt darauf schließen, dass weder Reparatur noch Einbau von Uracil in die DNA für die beobachtete Toxizität dieser Zytostatika notwendig sind. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Untersuchung des DNA-schädigenden Potenzials endogener ROS, die aus dem Fremdstoffmetabolismus stammen. Dazu wurden V79-Zellen verwendet, die mit dem humanen Enzym Cytochrom 2E1 (CYP2E1) transfiziert wurden (V79 CYP2E1) sowie Zellen, die ebenfalls durch Transfektion das humane Enzym Cytochromreduktase (auch Oxidoreduktase genannt) überexprimieren (V79 hOR). Beide Enzyme sind zusammen an der Hydroxylierung von Fremdstoffen beteiligt, bei der die Reduktion von molekularem Sauerstoff durch Übertragung von zwei Elektronen notwendig ist. Wird anstatt zweier Elektronen in Folge nur eines auf den Sauerstoff übertragen, so führt dieser von der Substratoxygenierung enkoppelte Vorgang zur Bildung von Superoxid. Daher galt es zu klären, ob das so erzeugte Superoxid und daraus gebildete ROS in der Lage sind, die DNA zu schädigen. Es konnte gezeigt werden, dass die Überexpression von CYP2E1 nicht zu einem erhöhten basalen Gleichgewichtsspiegel oxidativer DNA-Schäden führt und die Metabolisierung von Ethanol durch dieses Enzym ebenfalls keine DNA-Modifikationen verursacht. Die Überexpression der Cytochromreduktase hingegen führte gegenüber dem Wildtyp zu einem erhöhten basalen Gleichgewichtsspiegel oxidativer Basenmodifikationen nach Depletion von Glutathion, einem wichtigen zellulären Antioxidans. Im Mikrokerntest, der gentoxische Ereignisse wie Chromosomenbrüche in Zellen aufzeigt, zeigte sich schon ohne Glutathion-Depletion eine doppelt so hohe Mikrokernrate im Vergleich zum Wildtyp. In weiteren Versuchen wurden die V79-hOR-Zellen mit dem chinoiden Redoxcycler Durochinon inkubiert, um zu untersuchen, ob das vermutlich durch die Reduktase vermittelte Redoxcycling über Generierung von ROS in der Lage ist, einen oxidativen DNA-Schaden und Toxizität zu verursachen. Hier zeigte sich, dass die Überexpression der Reduktase Voraussetzung für Toxizität und den beobachteten DNA-Schaden ist. Die Wildtyp-Zellen zeigten weder einen DNA-Schaden noch Zytotoxizität, auch eine zusätzliche Glutathion-Depletion änderte nichts an dem Befund. Die V79-hOR-Zellen hingegen reagierten auf die Inkubation mit Durochinon mit einer konzentrationsabhängigen Zunahme der Einzelstrangbrüche und oxidativen Basenmodifikationen, wobei sich der DNA-Schaden durch vorherige Glutathion-Depletion verdoppeln ließ.

Oxylipins biosynthesis in Lactobacillus helveticus in the presence of oxidative stress

This PhD thesis is aimed at studying the possible pathways and the mechanisms that can trigger oxylipins biosynthesis, and particularly that of short chain aldehydes and alcohols, in Lactobacillus helveticus, also in the presence of oxidative stress, using a totally labelled linoleic acid as precursor. In plants and fungi these molecules, involved in defence mechanisms against pathogens and in communication systems, derive from the oxidation of cellular unsaturated fatty acids (UFAs) and their accumulation is associated with stress exposure. Since some oxylipins are produced also by lactobacilli, it is possible to hypothesize that a metabolic pathway from UFAs to oxylipins, similar to what happens in plants and fungi, is present also in lactic acid bacteria. The results obtained pointed out that some volatile molecules are the result of UFAs catabolism, since they appear only when cells are incubated in their presence. Labelled linoleic acid is integrated in the membrane and subsequently transformed into aldehydes and alcohols, whose extent and carbon atoms number depend on stress exposure. The enzymes responsible for this metabolic pathway in plants and fungi (e.g. lipoxygenase, dioxygenase) seem to be absent in Lactobacillus helveticus and in other lactobacilli. Proteomic analyses show the over expression of many proteins, including thioredoxin reductase (part of the bacterial oxidative defence system), mainly in cells grown with linoleic acid without oxidative stress exposure, confirming that linoleic acid itself induces oxidative stress. 6 general oxidoreductases (class including dioxygenases and peroxidase) were found and therefore a deeper investigation on them could be productive in elucidating all steps involved in oxylipins biosynthesis in bacteria. Due to the multiple role of oxylipins (flavouring agents, antimicrobial compounds and interspecific signalling molecules) the identification of genes involved and regulating factors should have an important biotechnological impact, also allowing the overproduction of selected bioactive molecules.

Charakterisierung von apoFNR, einer weiteren Form des Sauerstoffsensors FNR aus Escherichia coli und von NreB, einem potentiellen Sauerstoffsensor aus Staphylococcus carnosus

FNR (Fumarat Nitratreduktase Regulator) ist der Sauerstoffsensor aus Escherichia coli. Bisher waren zwei Formen von FNR bekannt, der aktive Zustand, ein Dimer mit je einem [4Fe4S]-Zentrum und ein inaktiver Zustand, in dem FNR als Monomer mit je einem [2Fe2S]-Zentrum vorliegt. Die Untersuchungen dieser Arbeit geben nun Hinweise, dass es mit apoFNR eine dritte physiologische Form von FNR gibt. Es wurde die Entstehung von apoFNR aus [4Fe4S]•FNR untersucht und die biochemischen Eigenschaften von apoFNR charakterisiert. ApoFNR konnte in vitro zu [4Fe4S]•FNR rekonstituiert werden, hierbei konnte die Lagphase der Rekonstitution durch Zusatz von Glutaredoxinen zum Rekonstitutionsansatz verkürzt werden. FNR, dessen Cysteinreste in vivo unter aeroben bzw. anaeroben Bedingungen mit 4-Acetamido-4´-Maleimidylstilbene-2,2´Disulfonsäure markiert wurden, zeigt auf SDS-Gelen einen Shift zu einer höheren Masse im Vergleich zu unmarkiertem FNR. Allerdings trat in aeroben Zellen eine zusätzliche Bande bei einer niedrigeren Masse auf. Es waren hier also weniger Cysteinreste markierbar. Weiterhin wurde mit NreB ein potentieller Sauerstoffsensor aus Staphylococcus carnosus untersucht. Es wurden Hinweise auf ein Eisen-Schwefel-Zentrum vom FNR-Typ als Cofaktor gefunden. Der Einbau dieses Cofaktors war abhängig von der Anwesenheit der Cysteinreste in NreB, von der Cysteindesulfurase NifSAV und von Eisenionen. Der Cofaktor war sauerstoffempfindlich und beeinflusste die Autophosphorylierung von NreB.

Der Carrier DcuB als zweiter Sensor des Zweikomponentensystems DcuSR in Escherichia coli

Escherichia coli kann C4-Dicarboxylate und andere Carbonsäuren als Substrate für den aeroben und anaeroben Stoffwechsel nutzen. Die Anwesenheit von C4-Dicarboxylaten im Außenmedium wird über das Zweikomponentensystem DcuSR, bestehend aus der membranständigen Sensorkinase DcuS und dem cytoplasmatischen Responseregulator DcuR, erkannt. Die Bindung von C4-Dicarboxylaten an die periplasmatische Domäne von DcuS führt zu einer Induktion der Zielgene. Hierzu zählen die Gene für den anaeroben Fumarat/Succinat-Antiporter DcuB (dcuB), die anaerobe Fumarase (fumB) und die Fumaratreduktase (frdABCD). Unter aeroben Bedingungen stimuliert DcuSR die Expression des dctA Gens, das für den aeroben C4-Dicarboxylat-Carrier DctA kodiert. Für den Carrier DcuB konnte eine regulatorische Funktion bei der Expression der DcuSR-regulierten Gene gezeigt werden. Die Inaktivierung des dcuB Gens führte bereits ohne Fumarat zu einer maximalen Expression einer dcuB´-´lacZ Reportergenfusion und anderer DcuSR-abhängiger Gene. Diese Stimulierung erfolgte nur in einem dcuS-positiven Hintergrund. DcuB unterscheidet sich damit von den alternativen Carriern DcuA und DcuC, die diesen Effekt nicht zeigten. Mithilfe ungerichteter Mutagenese wurden DcuB-Punktmutanten hergestellt (Thr394Ile und Asp398Asn), die eine Geninduktion verursachten, aber eine intakte Transportfunktion besaßen. Dies zeigt, dass der regulatorische Effekt von DcuB unabhängig von dessen Transportfunktion ist. Durch gerichtete Mutagenese wurde die Funktion einer Punktmutation (Thr394) näher charakterisiert. Es werden zwei Modelle zur Membrantopologie von DcuB und der Lage der Punktmutationen im Protein vorgestellt. Da DcuB seine regulatorische Funktion über eine Interaktion mit DcuS vermitteln könnte, wurden mögliche Wechselwirkungen zwischen DcuB und DcuS als auch DcuR mithilfe von Two-Hybrid-Systemen untersucht. Für biochemische Untersuchungen von DcuB wurde außerdem die Expression des Proteins in vivo und in vitro versucht. Unter aeroben Bedingungen beeinflusst der C4-Dicarboxylat-Carrier DctA die Expression der DcuSR-abhängigen Gene. Eine Mutation des dctA Gens bewirkte eine stärkere Expression einer dctA´-´lacZ Reportergenfusion im Vergleich zum Wildtyp. Diese Expression nahm in einem dcuS-negativen Hintergrund ab, die Succinat-abhängige Induktion blieb jedoch erhalten. Unter anaeroben Bedingungen kann das dctA Gen auch durch Inaktivierung von DcuB induziert werden. Es wird ein Modell vorgestellt, das die Beteiligung beider Carrier an der DcuSR-abhängigen Regulation erklärt.

Charakterisierung zentraler Enzyme des Ajmalin-Biosynthesewegs aus Rauvolfia serpentina

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Enzyme des Ajmalin-Biosynthesewegs aus der Arzneipflanze Rauvolfia serpentina charakterisiert. Dabei handelt es sich einerseits um die Vomilenin-Reduktase und die 2β-(R)-1.2-Dihydrovomilenin-Reduktase. Es wurden Versuche unternommen, diese Enzyme heterolog zu exprimieren. Eine aktive Expression konnte nicht durchgeführt werden, was mit großer Wahrscheinlichkeit auf Modifikationen in der Ursprungspflanze zurückzuführen ist. Allerdings bestehen auch Zweifel, ob es sich bei den Volllängenklonen um die cDNAs der Reduktasen handelte. Zum anderen sollte eine Strukturaufklärung der Vinorin-Synthase im Komplex mit Liganden vorgenommen werden. Die erhaltenen Proteinkristalle stellten sich als derart empfindlich gegenüber Schwankungen ihrer Umgebung und dem Eindringen von Liganden in den Kristall dar, dass eine erfolgreiche Komplexierung und strukturelle Beschreibung durch Röntgenstrukturanalyse nicht möglich war. Weiterhin wurden Mutagenesestudien mit der Vinorin-Synthase durchgeführt. Eine Asparaginsäure bildet eine Salzbrücke mit einem Arginin. Alle durchgeführten Mutationen dieser Asparaginsäure führten zu einem absoluten Aktivitätsverlust. Eine Funktion des Asparagins 277, als mitverantwortliche Aminosäure zur Bindung des Co-Substrats Acetyl-CoA, konnte anhand der Mutagenesestudien ausgeschlossen werden. Weiterhin ist es erstmals gelungen die Polyneuridinaldehyd-Esterase aus Rauvolfia serpentina zu kristallisieren. Schließlich konnte die dreidimensionale Struktur der Polyneuridinaldehyd-Esterase aufgeklärt werden. Es folgte eine Beschreibung struktureller Eigenschaften der Polyneuridinaldehyd-Esterase im Vergleich zu einem Modell, welches durch ein „Molecular Modelling“ erstellt wurde.