Charge generation and recombination in hybrid organic,inorganic solar cells

This thesis deals with the investigation of exciton and charge dynamics in hybrid solar cells by time-resolved optical spectroscopy. Quasi-steady-state and transient absorption spectroscopy, as well as time-resolved photoluminescence spectroscopy, were employed to study charge generation and recombination in solid-state organic dye-sensitized solar cells, where the commonly used liquid electrolyte is replaced by an organic solid hole transporter, namely 2,2′7,7′-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9′-spirobifluorene (spiro-MeOTAD), and polymer-metal oxide bulk heterojunction solar cells, where the commonly used fullerene acceptor [6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM) is replaced by zinc oxide (ZnO) nanoparticles. By correlating the spectroscopic results with the photovoltaic performance, efficiency-limiting processes and processes leading to photocurrent generation in the investigated systems are revealed. rnIt is shown that the charge generation from several all-organic donor-π-bridge-acceptor dyes, specifically perylene monoimide derivatives, employed in solid-state dye-sensitized solar cells, is strongly dependent on the presence of a commonly used additive lithium bis(trifluoromethanesulphonyl)imide salt (Li-TFSI) at the interface. rnMoreover, it is shown that charges can not only be generated by electron injection from the excited dye into the TiO2 acceptor and subsequent regeneration of the dye cation by the hole transporter, but also by an alternative mechanism, called preceding hole transfer (or reductive quenching). Here, the excited dye is first reduced by the hole transporter and the thereby formed anion subsequently injects an electron into the titania. This additional charge generation process, which is only possible for solid hole transporters, helps to overcome injection problems. rnHowever, a severe disadvantage of solid-state dye-sensitized solar cells is re-vealed by monitoring the transient Stark effect on dye molecules at the inter-face induced by the electric field between electrons and holes. The attraction between the negative image charge present in TiO2, which is induced by the positive charge carrier in the hole transporter due to the dielectric contrast between the organic spiro-MeOTAD and inorganic titania, is sufficient to at-tract the hole back to the interface, thereby increasing recombination and suppressing the extraction of free charges.rnBy investigating the effect of different dye structures and physical properties on charge generation and recombination, design rules and guidelines for the further advancement of solid-state dye-sensitized solar cells are proposed.rnFinally, a spectroscopic study on polymer:ZnO bulk heterojunction hybrid solar cells, employing different surfactants attached to the metal oxide nanoparticles, was performed to understand the effect of surfactants upon photovoltaic behavior. By applying a parallel pool analysis on the transient absorption data, it is shown that suppressing fast recombination while simultaneously maintaining the exciton splitting efficiency by the right choice of surfactants leads to better photovoltaic performances. Suppressing the fast recombination completely, whilst maintaining the exciton splitting, could lead to a doubling of the power conversion efficiency of this type of solar cell.

Bindeprotein-abhängige DctS-Sensorkinasen aus Bacillus subtilis und Geobacillus kaustophilus

Das Enterobakterium Escherichia coli sowie das Bodenbakterium Bacillus subtilis können C4-Dicarbonsäuren als aerobe Kohlenstoffquelle zur Energiekonservierung nutzen. Die Regulation des C4-Dicarboxylatstoffwechsels erfolgt in E. coli und B. subtilis durch das Zweikomponentensystem DcuSREc bzw. DctSRBs, bestehend aus einer Sensorkinase und einem Responseregulator. Diese kontrollieren die Expression des C4-Dicarboxylat-Transporters DctA. Der Sensor DcuSEc benötigt für seine Funktion im aeroben Stoffwechsel den Transporter DctA als Cosensor. Für das DctSRBs-System gibt es Hinweise aus genetischen Untersuchungen, dass DctSBs das Bindeprotein DctBBs und möglicherweise auch DctABs als Cosensoren für seine Funktion benötigt. In dieser Arbeit sollte ein direkter Nachweis geführt werden, ob DctBBs und DctABs gemeinsam oder nur jeweils eine der Komponenten als Cosensoren für DctSBs fungieren. Sowohl für DctBBs als auch für DctABs wurde eine direkte Protein-Protein-Interaktion mit DctSBs durch zwei in vivo Interaktionsmethoden nachgewiesen. Beide Methoden beruhen auf der Co-Reinigung der Interaktionspartner mittels Affinitätschromatographie und werden je nach Affinitätssäule als mSPINE oder mHPINE (Membrane Strep/His-Protein INteraction Experiment) bezeichnet. Die Interaktion von DctSBs mit DctBBs wurde zusätzlich über ein bakterielles Two-Hybrid System nachgewiesen. Nach Coexpression mit DctSBs interagieren DctABs und DctBBs in mSPINE-Tests gleichzeitig mit der Sensorkinase. DctSBs bildet somit eine sensorische DctS/DctA/DctB-Einheit in B. subtilis und das Bindeprotein DctBBs agiert nur als Cosensor, nicht aber als Transport-Bindeprotein. Eine direkte Interaktion zwischen dem Transporter DctABs und dem Bindeprotein DctBBs besteht nicht. Transportmessungen belegen, dass der DctA-vermittelte Transport von [14C]-Succinat unabhängig ist von DctBBs. Außerdem wurde untersucht, ob Zweikomponentensysteme aus anderen Bakteriengruppen nach einem ähnlichen Schema wie DcuSREc bzw. DctSRBs aufgebaut sind. Das thermophile Bakterium Geobacillus kaustophilus verfügt über ein DctSR-System, welches auf genetischer Ebene mit einem Transporter des DctA-Typs und einem DctB-Bindeprotein geclustert vorliegt. Die Sensorkinase DctSGk wurde in E. coli heterolog exprimiert und gereinigt. Diese zeigt in einer E. coli DcuS-Insertionsmutanten Komplementation der DcuS-Funktion und besitzt dabei Spezifität für die C4-Dicarbonsäuren Malat, Fumarat, L-Tartrat und Succinat sowie für die C6-Tricarbonsäure Citrat. In Liposomen rekonstituiertes DctSGk zeigt Autokinase-Aktivität nach Zugabe von [γ-33P]-ATP. Der KD-Wert für [γ-33P]-ATP der Kinasedomäne von DctSGk liegt bei 43 μM, die Affinität für ATP ist damit etwa 10-fach höher als in DcuSEc.

Unmittelbare, dauerhafte sowie evolutionäre Anpassung an Fremdstoffexpositionen

Eine der Hauptursachen für unerwünschte oder reduzierte Wirkungen von Medikamenten ist die Induktion von Enzymen und Transportern des Medikamentenstoffwechsels. Diese Induktion stellt ursprünglich eine physiologische Reaktion auf die Aufnahme von potentiell schädlichen Fremdstoffen aus der Umwelt dar und sichert so die Gesundheit und Fortpflanzungsfähigkeit von Lebewesen. Beim Menschen sowie anderen Säugetieren werden Fremdstoffe hauptsächlich von den nukleären Rezeptoren PXR und CAR in der Leber und im Dünndarm detektiert. Zu den Medikamenten, welche über PXR und CAR wirken, gehören unter anderem Antikonvulsiva, Statine, antiretrovirale Medikamente, Glucocorticoide sowie Antimykotika. Die durch Fremdstoffe aktivierten Transkriptionsfaktoren PXR und CAR steigern die Menge der Enzyme und Transporter des Fremdstoffmetabolismus. Hierzu zählen vor allem die Cytochrom P450-Enzyme (Cyp-Enzyme) mit breitem Substratspektrum oder der Transporter MDR1, welcher eine Vielzahl von Substraten über Membranen transportiert. Durch die Biotransformation werden die induzierenden, lipophilen Substanzen so modifiziert, dass sie leichter über den Urin oder die Galle ausgeschieden werden können. \r\nDie Dauer der Induktion sollte auf die Zeit der Fremdstoffexposition beschränkt sein, um Störungen des endogenen Stoffwechsels zu vermindern. In dieser Arbeit werden jedoch Hinweise auf dauerhafte und sogar generationsübergreifende Effekte von Medikamenten in Mäusen geliefert. Nachkommen von Müttern, welche bereits vor ihrer Verpaarung einmalig mit TCPOBOP, einem Liganden des murinen CAR, injiziert wurden, hatten eine ungefähr 100-fach gesteigerte Genexpression von Cyp2b10. Auch gab es Expressionsänderungen von Genen, deren Produkte eine Rolle im Lipidstoffwechsel sowie bei Immunkrankheiten spielen. Eine Hochdurchsatz-RNA-Sequenzierung der injizierten Elterngeneration ergab außerdem dauerhafte Expressionsveränderungen anderer Gene des Medikamentenstoffwechsels sowie von Genen mit Verbindung zum Energiemetabolismus. \r\nBerücksichtigt man die enge evolutionäre Verwandtschaft der nukleären Rezeptoren CAR und PXR, sind Langzeitveränderungen auch für PXR möglich und wurden im Verlauf dieser Arbeit ebenfalls untersucht. Eine Hochdurchsatz-Sequenzierung ergab für Mäuse, welche mit dem PXR-Aktivator PCN induziert wurden, dass selbst noch drei Monate nach der Exposition Gene verändert exprimiert waren, welche im Zusammenhang mit Lebernekrosen stehen. Bei Nachkommen von PCN-injizierten Müttern wurden Gene unterschiedlich exprimiert, welche eine Rolle bei der Energiehomöostase sowie im Glukosestoffwechsel spielen. Im Erwachsenenalter sind bei diesen Nachkommen darüber hinaus noch Gene unterschiedlich exprimiert, deren Produkte eine Funktion in der Immunantwort haben. \r\nDa Erwachsene aufgrund ihrer Lebensdauer sowie der absoluten Krankheitshäufigkeit wesentlich öfter Kontakt mit Fremdstoffen haben, war medizinisch von besonderem Interesse, ob anhaltende Genexpressionsänderungen auch bei Erwachsenen zu beobachten sind. So konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass auch einmalig exponierte Adulttiere Gene dauerhaft verändert exprimieren und die Veränderungen im Medikamentenstoffwechsel an die nächste Generation übertrugen. \r\n\r\nBisher sind klinische Studien zur Risikobewertung von Medikamenten (Pharmakovigilanz) nicht generationsübergreifend angelegt. Diese Arbeit gibt Anstöße dafür, dass dies in Zukunft für viel mehr Medikamente notwendig werden könnte. Neben Veränderungen im Medikamentenstoffwechsel ergeben sich Nebenwirkungen von PXR- und CAR-Liganden vor allem aus ihrer Beteiligung an endogenen Stoffwechselwegen. Nach Aktivierung von CAR, welcher viele metabolische Stoffwechselwege steuert, treten beispielsweise Störungen des Energiestoffwechsels auf. Ein tieferes Verständnis der Rezeptoraktivität von CAR samt einer gezielten Modulierung seiner Aktivität würde wichtige Beiträge zum Verständnis der Regulation des Fremdstoffmetabolismus sowie der Entstehung von Nebenwirkungen durch eine Behandlung mit CAR-Liganden leisten. Dauerhafte Veränderungen endogener Stoffwechselwege könnten dann möglicherweise über eine pharmakologische Modulierung der CAR-Aktivität reduziert werden. \r\nZu diesem Zweck wurden im Verlauf dieser Arbeit die CAR-Rezeptoren der Amphibien (Xenopus tropicalis, Xenopus laevis) und Reptilien (Anolis carolinensis) erstmals kloniert, als Proteine exprimiert und charakterisiert. Vergleiche zwischen Tierarten ermöglichen ein besseres Verständnis von humanen Proteinen. Funktionelle Analysen ergaben Ähnlichkeiten des Xenopus laevis-CAR mit dem PXR der Säugetiere: eine niedrige basale Aktivität sowie eine starke Induzierbarkeit durch Liganden. In weiteren funktionellen Analysen wurden die Determinanten der basalen Aktivität des Xenopus laevis-CAR untersucht. Die basale Aktivität war nicht abhängig von der subzellulären Lokalisation, sondern ergab sich aus der Proteinstruktur, welche nur beim CAR der Landvertebraten in einer aktiven Konformation fixiert ist. Ähnlich dem PXR der Säugetiere besitzt CAR der Amphibien eine Aktivierungsdomäne, welche erst durch Ligandenbindung in eine aktive Konformation gebracht wird. Mutationen einzelner Aminosäuren zum jeweils humanen Homolog erhöhten die basale Aktivität des Xenopus laevis-CAR auf die des humanen Rezeptors. Diese Mutanten mit erhöhter basalen Aktivität zeigten eine verstärkte Interaktion mit dem Kofaktor PGC-1a, einem Regulator des Energiestoffwechsels bei Säugetieren. Die hepatischen Zielgene des CAR der Amphibien überlappen zum Teil mit den humanen Zielgenen und spielen ebenfalls eine Rolle im Energiestoffwechsel.

Na +-coupled betaine symporters involved in osmotic stress response in prokaryotes and eukaryotes

The betaine/GABA transporter BGT1 is one of the most important osmolyte transporters in the kidney. BGT1 is a member of the neurotransmitter sodium symporter (NSS) family, facilitates Na+/Cl--coupled betaine uptake to cope with hyperosmotic stress. Betaine transport in kidney cells is upregulated under hypertonic conditions by a yet unknown mechanism when increasing amounts of intracellular BGT1 are inserted into the plasma membrane. Re-establishing isotonicity results in ensuing depletion of BGT1 from the membrane. BGT1 phosphorylation on serines and threonines might be a regulation mechanism. In the present study, four potential PKC phosphorylation sites were mutated to alanines and the responses to PKC activators, phorbol 12-myristate acetate (PMA) and dioctanoyl-sn-glycerol (DOG) were determined. GABA-sensitive currents were diminished after 30 min preincubation with these PKC activators. Staurosporine blocked the response to DOG. Three mutants evoked normal GABA-sensitive currents but currents in oocytes expressing the mutant T40A were greatly diminished. [3H]GABA uptake was also determined in HEK-293 cells expressing EGFP-tagged BGT1 with the same mutations. Three mutants showed normal upregulation of GABA uptake after hypertonic stress, and downregulation by PMA was normal compared to EGFP-BGT1. In contrast, GABA uptake by the T40A mutant showed no response to hypertonicity or PMA. Confocal microscopy of the EGFP-BGT1 mutants expressed in MDCK cells, grown on glass or filters, revealed that T40A was present in the cytoplasm after 24 h hypertonic stress while the other mutants and EGFP-BGT1 were predominantely present in the plasma membrane. All four mutants co-migrated with EGFP-BGT1 on Western blots suggesting they are full-length proteins. In conclusion, T235, S428, and S564 are not involved in downregulation of BGT1 due to phosphorylation by PKC. However, T40 near the N-terminus may be part of a hot spot important for normal trafficking or insertion of BGT1 into the plasma membrane. Additionally, a link between substrate transport regulation, insertion of BGT1 into the plasma membrane and N-glycosylation in the extracellular loop 2 (EL2) could be revealed. The functional importance of two predicted N-glycosylation sites, which are conserved in EL2 within the NSS family were investigated for trafficking, transport and regulated plasma membrane insertion by immunogold-labelling, electron microscopy, mutagenesis, two-electrode voltage clamp measurements in Xenopus laevis oocytes and uptake of radioactive-labelled substrate into MDCK cells. Trafficking and plasma membrane insertion of BGT1 was clearly promoted by proper N-glycosylation in both, oocytes and MDCK cells. De-glycosylation with PNGase F or tunicamycin led to a decrease in substrate affinity and transport rate. Mutagenesis studies revealed that in BGT1 N183 is the major N-glycosylation site responsible for full protein activity. Replacement of N183 with aspartate resulted in a mutant, which was not able to bind N-glycans suggesting that N171 is a non-glycosylated site in BGT1. N183D exhibited close to WT transport properties in oocytes. Surprisingly, in MDCK cells plasma membrane insertion of the N183D mutant was no longer regulated by osmotic stress indicating unambiguously that association with N-glycans at this position is linked to osmotic stress-induced transport regulation in BGT1. The molecular transport mechanism of BGT1 remains largely unknown in the absence of a crystal structure. Therefore investigating the structure-function relationship of BGT1 by a combination of structural biology (2D and 3D crystallization) and membrane protein biochemistry (cell culture, substrate transport by radioactive labeled GABA uptake into cells and proteoliposomes) was the aim of this work. While the functional assays are well established, structure determination of eukaryotic membrane transporters is still a challenge. Therefore, a suitable heterologous expression system could be defined, starting with cloning and overexpression of an optimized gene. The achieved expression levels in P. pastoris were high enough to proceed with isolation of BGT1. Furthermore, purification protocols could be established and resulted in pure protein, which could even be reconstituted in an active form. The quality and homogeneity of the protein allowed already 2D and 3D crystallization, in which initial crystals could be obtained. Interestingly, the striking structural similarity of BGT1 to the bacterial betaine transporter BetP, which became a paradigm for osmoregulated betaine transport, provided information on substrate coordination in BGT1. The structure of a BetP mutant that showed activity for GABA was solved to 3.2Å in complex with GABA in an inward facing open state. This structure shed some light into the molecular transport mechanisms in BGT1 and might help in future to design conformationally locked BGT1 to enforce the on-going structure determination.

Glukose-konjugierte Hemmstoffe als Strategie der gezielten Hemmung des DNA-Reparaturproteins O 6 -Methylguanin-DNA-Methyltransferase in Tumorzellen und der Einfluss von ATP-binding cassette Transportern

Das DNA-Reparaturprotein O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase [MGMT] ist der Hauptresistenzfaktor gegenüber der zytotoxischen Wirkung von SN1-alkylierenden Zytostatika in der Tumortherapie. Die Verwendung der MGMT-Hemmstoffe O6-Benzylguanin [O6BG] und O6-(4-Bromothenyl)guanin [O6BTG] führte zu einer Sensibilisierung des Normalgewebes, was eine Dosis-Reduktion der Zytostatika erforderlich machte und die erhoffte Therapieverbesserung verhinderte. Aus diesem Grund ist eine Strategie der selektiven Hemmung des MGMT-Proteins (Targeting-Strategie) erforderlich, um die systemische Toxizität in der Kombinationsbehandlung zu reduzieren. In dieser Arbeit wurde die Anwendbarkeit der Glukose-Konjugation als Targeting-Strategie untersucht, da Tumorzellen einen erhöhten Glukoseverbrauch aufweisen und demzufolge Glukosetransporter überexprimieren. Die Glukose-Konjugate O6BG-Glu und O6BTG-Glu inhibierten MGMT in Tumorzellen und sensibilisierten die Zellen gegenüber den alkylierenden Agenzien Temozolomid [TMZ] und Lomustin [CCNU]. Des Weiteren inaktivierten die Glukose-Konjugate die MGMT-Aktivität im Tumor eines Xenograft-Mausmodells und reduzierten das Tumorwachstum nach einer TMZ-Behandlung im gleichen Ausmass wie die Inhibitoren O6BG und O6BTG. Trotzdem war auch mit den Glukose-Konjugaten keine Steigerung der Zytostatika-Dosis im Mausmodell möglich. Die Untersuchungen der Aufnahme von O6BG-Glu und O6BTG-Glu wiederlegten eine Involvierung der Glukosetransporter. Der Einsatz von spezifischen Glukosetransporter-Inhibitoren und Kompetitions-Experimenten führte zu keiner Verminderung der MGMT-Hemmung oder Aufnahme vom radioaktiven H3-O6BTG-Glu in die Zelle. Dies legt nahe, dass die Glukose-Konjugate über einen unspezifischen Mechanismus (aktiv) in die Zellen gelangen. Der Grund für eine mögliche unselektive Aufnahme könnte im hydrophoben Alkyllinker, der für die Konjugation des Glukosemoleküls verwendet wurde, begründet sein. Dies führt zur Generierung von amphipathischen Konjugaten, die eine initiale Bindung an die Plasmamembran aufweisen und eine Aufnahme über den Flip-Flop-Mechanismus (transbilayer transport) wahrscheinlich machen. Die amphipathische Molekülstruktur der Glukose-Konjugate führte zu einer Partikelbildung in wässrigen Lösungen, die eine Reduktion der Menge an aktiven Monomeren von O6BG-Glu und O6BTG-Glu bewirken, die zur Hemmung von MGMT zur Verfügung stehen. Der zweite Teil der Arbeit befasste sich mit der Rolle von ABC-Transportern hinsichtlich einer Targeting-Strategie von MGMT-Hemmstoffen. Obwohl eine hohe Expression dieser ABC-Transporter in Tumoren zur Resistenzentwicklung gegenüber Zytostatika führt, wurde ihr Einfluss auf MGMT-Hemmstoffe oder einer MGMT-Targeting-Strategie niemals untersucht. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal ein aktiver Efflux von MGMT-Hemmstoffen durch ABC-Transporter nachgewiesen. Die Inhibition von ABC-Transportern bewirkte eine schnellere Inaktivierung von MGMT durch die Glukose-Konjugate. Des Weiteren zeigten Kompetitions-Experimente mit den MGMT-Hemmstoffen eine verminderte Efflux-Rate von Fluoreszenzfarbstoffen, die spezifisch von ABC-Transportern exportiert werden. ABC-Transporter reduzieren die wirksame Konzentration des Hemmstoffes in der Zelle und beeinträchtigen somit die Effektivität der MGMT-Inhibition. Eine simultane Hemmung der ABC-Transporter P-glycoprotein (P-gp), multi resistance protein 1 (MRP1) and breast cancer resistance protein (BCRP) erhöhte die Effektivität der MGMT-Hemmstoffe (O6BG, O6BTG, O6BG-Glu, O6BTG-Glu) und verstärkte auf diese Weise die TMZ-induzierte Toxizität in Tumorzelllinien. Die Involvierung von ABC-Transportern in der intrazellulären Speicherung von MGMT-Hemmstoffen ist wahrscheinlich die Ursache für die beobachteten Unterschiede in der Sensibilisierung verschiedener Tumorzelllinien gegenüber Zytostatika durch das Glukose-Konjugat O6BG-Glu. Eine Strategie, den Einfluss von ABC-Transportern zu reduzieren und zukünftliche MGMT-Targeting-Strategien effizienter umzusetzen, ist die Verwendung von O6BTG als Ausgangssubstanz. Die höhere Inhibitionsfähigkeit der Bromthiophenmoleküle vermindert die erforderliche intrazelluläre Konzentration für eine vollständige MGMT-Hemmung und reduziert auf diese Weise den Einfluss von ABC-Transportern.

Signalerkennung und Signaltransduktion im DctA,DcuS-Sensor-Regulatorkomplex von Escherichia coli.

E. coli ist in der Lage unter aeroben sowie anaeroben Bedingungen C4-Dicarbonsäuren zur Energiekonservierung zu nutzen. Das DcuS/DcuR-Zweikomponentensystem detektiert diese und reguliert die Gene für den C4-Dicarboxylat-Transport und Metabolismus. Dabei hängt die Sensitivität der Sensorkinase DcuS für C4-Dicarbonsäuren von der Anwesenheit des aeroben Symporters DctA oder des anaeroben Antiporters DcuB ab. Diese bifunktionalen Transporter bilden mit DcuS über direkte Protein-Protein-Wechselwirkungen Sensoreinheiten. In dieser Arbeit wurden die Funktionen von DctA und DcuS im DctA/DcuS-Sensorkomplex analysiert. Mit DctA(S380D) wurde eine Variante des Transporters identifiziert, in der die regulatorische Eigenschaft von der katalytischen Funktion entkoppelt ist. Stämme von E. coli, die den DctA(S380D)/DcuS-Sensorkomplex enthielten, waren in der Lage C4-Dicarbonsäuren wahrzunehmen, obwohl die Transportfunktion von DctA inaktiviert war. Zudem wurden Unterschiede in den Substratspektren von DctA und DcuS festgestellt. Citrat, ein guter Effektor des DctA/DcuS-Sensorkomplexes, wurde durch DctA nicht gebunden oder transportiert. Anhand von Titrationsexperimenten mit variierenden DctA-Mengen wurde außerdem nachgewiesen, dass die Sensitivität von DcuS für seine Effektoren von der DctA-Konzentration abhängig ist. Es konnte gezeigt werden, dass DctA im DctA/DcuS-Sensorkomplex nicht an der Erkennung von C4-Dicarbonsäuren beteiligt ist. DcuS stellt die Signaleingangsstelle des Komplexes dar, während DctA durch seine Anwesenheit die Sensorkinase in eine funktionsbereite oder sensitive Form überführt, die auf Effektoren reagieren kann. Darüber hinaus wurde die Rolle der Transmembranhelices TM1 und TM2 von DcuS für die Funktion und Dimerisierung der Sensorkinase untersucht. Durch Sequenzanalysen wurden „SmallxxxSmall“-Motive, deren Relevanz als Dimerisierungsschnittstellen bereits in Transmembranhelices anderer Proteine nachgewiesen wurde, in TM1 sowie TM2 identifiziert. Die Homodimerisierung beider Transmembrandomänen wurde im GALLEX Two-Hybrid System nachgewiesen, wobei die TM2-TM2-Interaktion stärker war. Die Substitution G190A/G194A im SxxxGxxxG-Tandemmotiv von TM2 rief zudem einen deutlichen Funktionsverlust der Sensorkinase hervor. Dieser Aktivitätsverlust korrelierte mit Störungen der Homodimerisierung von TM2(G190A/G194A) sowie DcuS(G190A/G194A) bei bakteriellen Two-Hybrid Messungen im GALLEX- bzw. BACTH-System. Demzufolge agiert Transmembranhelix 2 mit seinem SxxxGxxxG-Sequenzmotiv als wesentliche Homodimerisierungsstelle in DcuS. Die Dimerisierung von DcuS ist essentiell für die Funktion der Histidinkinase. Zusätzlich wurde bei fluoreszenzmikroskopischen Studien durch Koexpression von DcuS bzw. DctA die zelluläre Kolokalisierung von DctA und DcuR mit DcuS sowie DauA mit DctA nachgewiesen. Die DctA/DcuS-Sensoreinheit kann demnach zum DauA/DctA/DcuS/DcuR-Komplex erweitert werden.

Einfluss des Treg-Aktivierungsmarkers GARP auf die Differenzierung und Funktion von T-Zellen

CD4+CD25+FoxP3+ regulatorische T-Zellen (Treg) spielen eine essentielle Rolle bei der Unterdrückung von schädlichen Immunreaktionen. Da aktivierte CD4+ T-Helferzellen auch CD25 und FoxP3 exprimieren, können diese nicht als spezifische Marker zur Identifikation von Treg verwendet werden. Die Analyse der Membranproteinexpression beider Populationen führte zur Identifikation von GARP (glycoprotein A repetitions predominant) als spezifischer Marker auf aktivierten Treg. GARP bindet LAP und TGF-beta, welches für die Unterdrückung von entzündlichen T-Zellantworten von Bedeutung ist. Um die Funktion von GARP unabhängig von Treg zu untersuchen, wurde ein lösliches GARP Protein (sGARP) synthetisiert und sein Effekt auf die Aktivierung und Differenzierung von humanen T-Zellen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sGARP die Proliferation von naiven CD4+ T-Zellen supprimiert und zu einer Phosphorylierung von SMAD2/3 sowie zu der Induktion von FoxP3 führt. Zusätzlich inhibiert sGARP die Produktion von Effektorzytokinen wie IL-2 und IFN-gamma. Die Stimulation von naiven CD4+ T-Zellen mit sGARP induziert die Differenzierung zu Treg, welche in Kokultur die Aktivierung von T-Effektorzellen supprimieren. Die Wirkung war vergleichbar in naiven CD4+ und ruhenden CD4+CD45RA+ T-Zellen, konnte aber in differenzierten CD4+CD45RO+ T-Zellen nicht nachgewiesen werden. Die Induktion von FoxP3 und die Phosphorylierung von SMAD2/3 konnte durch eine Blockade des TGF-beta-Signalweges inhibiert werden. Dies lässt vermuten, dass die Funktion von sGARP zumindest teilweise von TGF-beta abhängig ist. Zusätzlich zu seiner passiven Rolle als TGF-beta-Transporter, induzierte sGARP die TGF-beta-Produktion in naiven T-Zellen und trägt so zum Mechanismus der infektiösen Toleranz bei. Des Weiteren fördert die Stimulation von sGARP in Anwesenheit von IL-6 und IL-23 die Differenzierung zu Th17 Zellen. rnNeben dem Einfluss von sGARP auf die Differenzierung von CD4+ T-Zellen, supprimiert sGARP die Proliferation und Granzyme B-Expression in CD8+ T-Zellen. rnFür die Analyse der immunmodulatorischen Funktion von sGARP in vivo wurde ein Modell einer xenogenen GvHD (graft-versus-host disease) verwendet. Der Transfer von humanen PBMC in neugeborene, immundefiziente Rag2-/-gamma-chain-/--Mäuse führt zu einer letalen GvHD, welche durch die Applikation von humanen Treg dosisabhängig unterdrückt werden kann. In diesem Modell konnte die repetitive Gabe von sGARP, ohne zusätzliche Zugabe von Treg, ebenfalls die GvHD unterdrücken. Dies lässt auf einen synergistischen Effekt von sGARP und Treg bei der Suppression inflammatorischer T-Zellantworten schließen. rnZusammengefasst lassen die Ergebnisse auf eine entscheidende Rolle von GARP in der Modulation der peripheren Toleranz folgern und zeigen sGARP als potentes Biological für die Behandlung von unerwünschten inflammatorischen Immunantworten.

Funktionelle HPMA-Copolymere zur möglichen Anwendung in der Tumor-Immuntherapie

Der Fokus dieser Arbeit lag in der Synthese von funktionellen HPMA-Copolymeren, sowohl für die Darstellung definierter Polymer-Antikörper Konjugate, als auch zum effizienten Transport von p-DNA in Polymer-DNA Komplexen (Polyplexe). Nach ausführlicher physikalischer und chemischer Charakterisierung wurden gezielt ihre Wechselwirkungen mit (Immun)-Zellen untersucht und so ihr Potential für die Verwendung in der Tumor-Immuntherapie aufgezeigt.rnFür das gezielte Ansprechen von bestimmten Immunzellen mit Schlüsselfunktionen besitzen monoklonale Antikörper ein großes Potential. Im Rahmen dieser Arbeit gelang die Darstellung definierter Polymer-Antikörper Konjugate über das gezielte Einführen von Thiol-Gruppen an Antikörper und die Synthese eng verteilter, Maleinimid funktionalisierter HPMA-Copolymere. Diese sehr gut definierten, funktionellen HPMA-Copolymere konnten über die Kombination der RAFT-Polymerisation und Reaktivester Polymeren gewonnen werden. Unterschiedliche Polymerstrukturen ermöglichten die Synthese verschiedener Arten von Polymer-Antikörper Konjugaten. Speziell die Untersuchung der verschiedenen Konjugate aus dem für dendritische Zellen spezifischen aDEC-205 Antikörper an Immunzellen aus dem Knochenmark von Mäusen lieferten wertvolle Erkenntnisse über Struktur-Wirkungsbeziehungen und zeigten die Möglichkeit der gezielten Adressierung von Immunzellen mit Schlüsselfunktionen bei der Aktivierung einer (Tumor)-Immunabwehr am Beispiel von dendritischen Zellen. Gleichzeitig erlaubt der Syntheseweg sowohl die gleichzeitige und kontrollierte Einführung auch komplexerer Stimuli am Polymerrückgrat als auch die Verwendung verschiedener Antikörper.rnÜber die Kombination der RAFT-Polymerisation und polymeren Reaktivestern wurde ebenso die Synthese von neuartigen kationisch-hydrophilen Polylysin-b-poly(HPMA) Blockcopolymeren als effiziente Transporter für den komplexen aber wirkungsvollen Wirkstoff p-DNA in Form von Polymer-DNA Komplexen (Polyplexe) realisiert. Da diese Polyplexe gleichzeitig eine Abschirmung der sensitiven p-DNA über eine poly(HPMA)-Korona vermitteln, stellen sie allgemein ein geeignetes Transportmittel für einen therapeutischen Transport von p-DNA dar. Diese Polyplexe sind in der Lage, humane Nierenkarzinomzellen (HEK-293T Zelllinie) zu transfizieren ohne signifikante Zytotoxizität zu zeigen. Darüber hinaus gelang eine große Steigerung der Transfektionseffizienz, ohne eine gleichzeitige Erhöhung der Zytotoxizität, durch die gezielte Einführung von Redox-stimuliresponsiven Disulfid-Gruppen zwischen den einzelnen Blöcken. Diese Polyplexe stellen einen polymeren Vektor zur transkriptionellen Regulierung von Zellen dar, zum Beispiel für die transkriptionelle Aktivierung von dendritischen Zellen, durch die Verwendung speziell dafür modifizierter p-DNA-Konstrukte. rnDurch die Verknüpfung einer ortsspezifischen enzymatischen Kopplung und kupferfreien Cyclooctin-Azid Kupplung gelang die kontrollierte und kovalente Modifizierung von polymeren Mizellen mit aDEC-205 Antikörpern an der hydrophilen poly(HPMA)-Korona. Diese Methode bietet die Möglichkeit der Anbindung der effektiven aber anspruchsvollen Erkennungsstruktur Antikörper an komplexere Polymerstrukturen und andere nano-partikulären Systeme, zum Beispiel an die zuvor genannten Polyplexe, um eine zellspezifische und verbesserte Aufnahme und Prozessierung zu erreichen.rnDiese Studien zeigen somit, sowohl die Möglichkeit der selektiven Addressierung von Immunzellen mit Schlüsselfunktionen wie dendritischer Zellen, als auch die Möglichkeit der transkriptionellen Regulation von Zellen durch Polyplexe. Sie stellen somit einen ersten Schritt zur Herstellung funktioneller, nanopartikulärer Systeme zur Verwendung in der Tumor-Immuntherapie dar. rn

Sodium/hydrogen exchanger NHA2 in osteoclasts: subcellular localization and role in vitro and in vivo

NHA2 was recently identified as a novel sodium/hydrogen exchanger which is strongly upregulated during RANKL-induced osteoclast differentiation. Previous in vitro studies suggested that NHA2 is a mitochondrial transporter required for osteoclast differentiation and bone resorption. Due to the lack of suitable antibodies, NHA2 was studied only on RNA level thus far. To define the protein's role in osteoclasts in vitro and in vivo, we generated NHA2-deficient mice and raised several specific NHA2 antibodies. By confocal microscopy and subcellular fractionation studies, NHA2 was found to co-localize with the late endosomal and lysosomal marker LAMP1 and the V-ATPase a3 subunit, but not with mitochondrial markers. Immunofluorescence studies and surface biotinylation experiments further revealed that NHA2 was highly enriched in the plasma membrane of osteoclasts, localizing to the basolateral membrane of polarized osteoclasts. Despite strong upregulation of NHA2 during RANKL-induced osteoclast differentiation, however, structural parameters of bone, quantified by high-resolution microcomputed tomography, were not different in NHA2-deficient mice compared to wild-type littermates. In addition, in vitro RANKL stimulation of bone marrow cells isolated from wild-type and NHA2-deficient mice yielded no differences in osteoclast development and activity. Taken together, we show that NHA2 is a RANKL-induced plasmalemmal sodium/hydrogen exchanger in osteoclasts. However, our data from NHA2-deficient mice suggest that NHA2 is dispensable for osteoclast differentiation and bone resorption both in vitro and in vivo.

Expression, localization, and functional model of cholesterol transporters in lactating and nonlactating mammary tissues of murine, bovine, and human origin

Members of the ATP-binding cassette (ABC) transporters play a pivotal role in cellular lipid efflux. To identify candidate cholesterol transporters implicated in lipid homeostasis and mammary gland (MG) physiology, we compared expression and localization of ABCA1, ABCG1, and ABCA7 and their regulatory genes in mammary tissues of different species during the pregnancy-lactation cycle. Murine and bovine mammary glands (MGs) were investigated during different functional stages. The abundance of mRNAs was determined by quantitative RT-PCR. Furthermore, transporter proteins were localized in murine, bovine, and human MGs by immunohistochemistry. In the murine MG, ABCA1 mRNA abundance was elevated during nonlactating compared with lactating stages, whereas ABCA7 and ABCA1 mRNA profiles were not altered. In the bovine MG, ABCA1, ABCG1, and ABCA7 mRNAs abundances were increased during nonlactating stages compared with lactation. Furthermore, associations between mRNA levels of transporters and their regulatory genes LXRalpha, PPARgamma, and SREBPs were found. ABCA1, ABCG1, and ABCA7 proteins were localized in glandular MG epithelial cells (MEC) during lactation, whereas during nonlactating stages, depending on species, the proteins showed distinct localization patterns in MEC and adipocytes. Our results demonstrate that ABCA1, ABCG1, and ABCA7 are differentially expressed between lactation and nonlactating stages and in association with regulatory genes. Combined expression and localization data suggest that the selected cholesterol transporters are universal MG transporters involved in transport and storage of cholesterol and in lipid homeostasis of MEC. Because of the species-specific expression patterns of transporters in mammary tissue, mechanisms of cholesterol homeostasis seem to be differentially regulated between species.

Angiotensinergic and noradrenergic neurons in the rat and human heart

Although the physiological and pharmacological evidences suggest a role for angiotensin II (Ang II) with the mammalian heart, the source and precise location of Ang II are unknown. To visualize and quantitate Ang II in atria, ventricular walls and interventricular septum of the rat and human heart and to explore the feasibility of local Ang II production and function, we investigated by different methods the expression of proteins involved in the generation and function of Ang II. We found mRNA of angiotensinogen (Ang-N), of angiotensin converting enzyme, of the angiotensin type receptors AT(1A) and AT(2) (AT(1B) not detected) as well as of cathepsin D in any part of the hearts. No renin mRNA was traceable. Ang-N mRNA was visualized by in situ hybridization in atrial ganglial neurons. Ang II and dopamine- -hydroxylase (D H) were either colocalized inside the same neuronal cell or the neurons were specialized for Ang II or D H. Within these neurons, the vesicular acetylcholine transporter (VAChT) was neither colocalized with Ang II nor D H, but VAChT-staining was found with synapses en passant encircle these neuronal cells. The fibers containing Ang II exhibited with blood vessels and with cardiomyocytes supposedly angiotensinergic synapses en passant. In rat heart, right atrial median Ang II concentration appeared higher than septal and ventricular Ang II. The distinct colocalization of neuronal Ang II with D H in the heart may indicate that Ang II participates together with norepinephrine in the regulation of cardiac functions: Produced as a cardiac neurotransmitter Ang II may have inotropic, chronotropic or dromotropic effects in atria and ventricles and contributes to blood pressure regulation.

The status of olfactory function and the striatal dopaminergic system in drug-induced parkinsonism

Olfactory impairment has been reported in drug-induced parkinsonism (DIP), but the relationship between dopaminergic dysfunction and smell deficits in DIP patients has not been characterized. To this end, we studied 16 DIP patients and 13 patients affected by Parkinson's disease (PD) using the "Sniffin' Sticks" test and [(123)I] FP-CIT SPECT (single-photon emission computed tomography). DIP patients were divided based on normal (n = 9) and abnormal (n = 7) putamen dopamine transporter binding. Nineteen healthy age- and sex-matched subjects served as controls of smell function. Patients with DIP and pathological putamen uptake had abnormal olfactory function. In this group of patients, olfactory TDI scores (odor threshold, discrimination and identification) correlated significantly with putamen uptake values, as observed in PD patients. By contrast, DIP patients with normal putamen uptake showed odor functions-with the exception of the threshold subtest-similar to control subjects. In this group of patients, no significant correlation was observed between olfactory TDI scores and putamen uptake values. The results of our study suggest that the presence of smell deficits in DIP patients might be more associated with dopaminergic loss rather than with a drug-mediated dopamine receptor blockade. These preliminary results might have prognostic and therapeutic implications, as abnormalities in these individuals may be suggestive of an underlying PD-like neurodegenerative process.

Expression and localization pattern of ABCA1 in diverse human placental primary cells and tissues

The ATP-binding cassette transporter A1 (ABCA1) mediates the transport of cholesterol, phospholipids, and other lipophilic molecules across cellular membranes. Recent data provide evidence that ABCA1 plays an important role in placental function but the exact cellular sites of ABCA1 action in the placenta remain controversial. To clarify this issue, we analyzed the cellular and subcellular localization of ABCA1 with immunocytochemistry, immunofluorescence and subsequent confocal or immunofluorescence microscopy in different types of isolated primary placenta cells: cytotrophoblast cells, amnion epithelial cells, villous macrophages (Hofbauer cells), and mesenchymal cells isolated from chorionic membrane and placental villi. After 12 h of cultivation, primary cytotrophoblast cells showed intensive membrane and cytoplasmic staining for ABCA1. After 24 h, with progressive syncytium formation, ABCA1 staining intensity was markedly reduced and ABCA1 was dispersed in the cytoplasm of the forming syncytial layer. In amnion epithelial cells, placental macrophages and mesenchymal cells, ABCA1 was predominantly localized at the cell membrane and cytoplasmic compartments partially corresponding to the endoplasmic reticulum. In these cell types, the ABCA1 staining intensity was not dependent on the cultivation time. In conclusion, ABCA1 shows marked expression levels in diverse placental cell types. The multitopic localization of ABCA1 in diverse human placental cells not all directly involved in materno-fetal exchange suggests that this protein may not only participate in transplacental lipid transport but could have additional regulatory functions.

Functional Imaging of Pheochromocytoma with Ga-DOTATOC and C-HED in a Genetically Defined Rat Model of Multiple Endocrine Neoplasia

Rats affected by the MENX multitumor syndrome develop pheochromocytoma (100%). Pheochromocytomas are uncommon tumors and animal models are scarce, hence the interest in MENX rats to identify and preclinically evaluate novel targeted therapies. A prerequisite for such studies is a sensitive and noninvasive detection of MENXassociated pheochromocytoma. We performed positron emission tomography (PET) to determine whether rat pheochromocytomas are detected by tracers used in clinical practice, such as 68Ga-DOTATOC (somatostatin analogue) or (11)C-Hydroxyephedrine (HED), a norepinephrine analogue. We analyzed four affected and three unaffected rats. The PET scan findings were correlated to histopathology and immunophenotype of the tumors, their proliferative index, and the expression of genes coding for somatostatin receptors or the norepinephrine transporter. We observed that mean 68Ga-DOTATOC standard uptake value (SUV) in adrenals of affected animals was 23.3 ± 3.9, significantly higher than in control rats (15.4 ± 7.9; P = .03). The increase in mean tumor-to-liver ratio of (11)C-HED in the MENX-affected animals (1.6 ± 0.5) compared to controls (0.7 ± 0.1) was even more significant (P = .0016). In a unique animal model, functional imaging depicting two pathways important in pheochromocytoma biology discriminated affected animals from controls, thus providing the basis for future preclinical work with MENX rats.

Frog oocytes to unveil the structure and supramolecular organization of human transport proteins

Structural analyses of heterologously expressed mammalian membrane proteins remain a great challenge given that microgram to milligram amounts of correctly folded and highly purified proteins are required. Here, we present a novel method for the expression and affinity purification of recombinant mammalian and in particular human transport proteins in Xenopus laevis frog oocytes. The method was validated for four human and one murine transporter. Negative stain transmission electron microscopy (TEM) and single particle analysis (SPA) of two of these transporters, i.e., the potassium-chloride cotransporter 4 (KCC4) and the aquaporin-1 (AQP1) water channel, revealed the expected quaternary structures within homogeneous preparations, and thus correct protein folding and assembly. This is the first time a cation-chloride cotransporter (SLC12) family member is isolated, and its shape, dimensions, low-resolution structure and oligomeric state determined by TEM, i.e., by a direct method. Finally, we were able to grow 2D crystals of human AQP1. The ability of AQP1 to crystallize was a strong indicator for the structural integrity of the purified recombinant protein. This approach will open the way for the structure determination of many human membrane transporters taking full advantage of the Xenopus laevis oocyte expression system that generally yields robust functional expression.