Laser heating of polymers

Zur Untersuchung von Effekten beim Laserheizen von Polymeren wurde ein Temperaturmessaufbau entwickelt. Das Messprinzip basiert auf der Auswertung der thermischen Emission. Der Messaufbau besteht aus einer hochauflösenden Kamera, ausgestattet mit Bildverstärker, sowie Interferenzfiltern um eine spektrale Auflösung zu gewährleisten und einem gepulster NIR-Heizlaser. Die Pulsdauer des Lasers liegt in der Größenordnung von 10 µs, der Strahldurchmesser durch entsprechende Fokussierung in der Größenordnung von 10 µm. Mittels Fit des Planck‘schen Strahlungsgesetzes an die aufgenommene thermische Emission konnten 2D Temperaturgraphen erhalten werden. Eine Ortsauflösung von 1 µm und eine Zeitauflösung von 1 µs konnten realisiert werden. In Kombination mit Finite-Elemente-Simulationen wurde mit diesem Aufbau die Laserablation verschiedener Polymere untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass bei Polymeren mit einem Glasübergang im Temperaturbereich zwischen Raum- und Zerfallstemperatur, photomechanische Ablation stattfand. Die Ablationsschwelle lag für diese Polymere mehrere 10 K über dem Glasübergang, weit unter der Zerfallstemperatur aus thermogravimetrischen Experimenten mit typischen Heizraten von 10 K/min. Bei hohen Laserenergien und damit verbundenen hohen Temperaturen konnte dagegen thermischer Zerfall beobachtet werden. Ein Übergang des Mechanismus von photomechanischer Ablation zu Ablation durch thermischen Zerfall ergab sich bei Temperaturen deutlich über der Zerfallstemperatur des Polymers aus der Thermogravimetrie. Dies wurde bedingt durch die kurzen Reaktionszeiten des Laserexperiments in der Größenordnung der Pulsdauer und steht im Einklang mit dem Gesetz von Arrhenius. Polymere ohne Glasübergang im Heizbereich zeigten dagegen keine photomechanische Ablation, sondern ausschließlich thermischen Zerfall. Die Ablationsschwelle lag auch hier bei höheren Temperaturen, entsprechend dem Gesetz von Arrhenius. Hohe Temperaturen, mehrere 100 K über der Zerfallstemperatur, ergaben sich darüber hinaus bei hohen Laserenergien. Ein drastisches Überhitzen des Polymers, wie in der Literatur beschrieben, konnte nicht beobachtet werden. Experimentelle Befunde deuten vielmehr darauf hin, dass es sich bei dem heißen Material um thermische Zerfallsprodukte, Polymerfragmente, Monomer und Zerfallsprodukte des Monomers handelte bzw. das Temperaturprofil der Zerfallsreaktion selbst visualisiert wurde.

Sintesi di PNA a libertà conformazionale ridotta

The present work started a research project aimed at the synthesis of conformationally “locked” PNA (Peptide Nucleic Acids) monomers. Compared to classic aeg-PNA, this structural modification would result in an improvement in the pairing properties with natural nucleic acids, due to entropic variations in the process. Specifically, an attempt was made to build a PNA monomer around a β-lactam ring. That ring could be imagined as obtained by linking the methylene groups in α position of both the nucleobase and the carboxyl function. These structural properties would imply pre-organization of the final oligomer, improving the pairing process in biological systems. The first step of this work was the investigation of the Staudinger reaction for the ciclization of the lactam ring, and in particular the activation method of the carboxylic group of the nucleobase derivatives. Use of triazine chloride led to the synthesis of the adenine-based β-lactam-PNA. Attempts to synthesize the same monomer based on cytosine, guanine and thymine were unsuccessful, so alternative methods for carboxylic group activation were investigated. Conversion of carboxylic acids to acyl chlorides led to a partial result: despite the method worked well with analogues of the final reactants, it didn’t worked with substrates needed for lactam based PNAs. Search for a valid activation process continued involving carbonyl diimidazole, Mukayama reagent, and LDA (with methylester derivative of nucelobase) without good results. Last, it was investigated a different synthetic approach by first synthesizing a proper backbone with a chlorine in the β- lactam ring. This chlorine ring should undergo substitution by a nucleobase anion to give the desired PNA monomer. Unluckily also this synthetic route didn’t lead to the desired monomers.

Charge transport in organic photovoltaic cells

Die vorliegende Dissertation dient dazu, das Verständnis des Ladungstransportes in organischen Solarzellen zu vertiefen. Mit Hilfe von Computersimulationen wird die Bewegung von Ladungsträgern in organischen Materialien rekonstruiert, und zwar ausgehend von den quantenmechanischen Prozessen auf mikroskopischer Ebene bis hin zur makroskopischen Skala, wo Ladungsträgermobilitäten quantifizierbar werden. Auf Grundlage dieses skalenübergreifenden Ansatzes werden Beziehungen zwischen der chemischen Struktur organischer Moleküle und der makroskopischen Mobilität hergestellt (Struktur-Eigenschafts-Beziehungen), die zu der Optimierung photovoltaischer Wirkungsgrade beitragen. Das Simulationsmodell beinhaltet folgende drei Schlüsselkomponenten. Erstens eine Morphologie, d. h. ein atomistisch aufgelöstes Modell der molekularen Anordnung in dem untersuchten Material. Zweitens ein Hüpfmodell des Ladungstransportes, das Ladungswanderung als eine Abfolge von Ladungstransferreaktionen zwischen einzelnen Molekülen beschreibt. Drittens ein nichtadiabatisches Modell des Ladungstransfers, das Übergangsraten durch drei Parameter ausdrückt: Reorganisationsenergien, Lageenergien und Transferintegrale. Die Ladungstransport-Simulationen richten sich auf die Materialklasse der dicyanovinyl-substituierten Oligothiophene und umfassen Morphologien von Einkristallen, Dünnschichten sowie amorphen/smektischen Mesophasen. Ein allgemeiner Befund ist, dass die molekulare Architektur, bestehend aus einer Akzeptor-Donor-Akzeptor-Sequenz und einem flexiblen Oligomergerüst, eine erhebliche Variation molekularer Dipolmomente und damit der Lageenergien bewirkt. Diese energetische Unordnung ist ungewöhnlich hoch in den Kristallen und umso höher in den Mesophasen. Für die Einkristalle wird beobachtet, dass Kristallstrukturen mit ausgeprägter π-Stapelung und entsprechend großer Transferintegrale zu verhältnismäßig niedrigen Mobilitäten führen. Dieses Verhalten wird zurückgeführt auf die Ausbildung bevorzugter Transportrichtungen, die anfällig für energetische Störungen sind. Für die Dünnschichten bestätigt sich diese Argumentation und liefert ein mikroskopisches Verständnis für experimentelle Mobilitäten. In der Tat korrelieren die Simulationsergebnisse sowohl mit gemessenen Mobilitäten als auch mit photovoltaischen Wirkungsgraden. Für die amorphen/smektischen Systeme steigt die energetische Unordnung mit der Oligomerlänge, sie führt aber auch zu einer unerwarteten Mobilitätsabnahme in dem stärker geordneten smektischen Zustand. Als Ursache dafür erweist sich, dass die smektische Schichtung der räumlichen Korrelation der energetischen Unordnung entgegensteht.

Coating of surfaces of composite materials with enzymatically formed biosilica

Die Bildung kieselsäurehaltiger Spicula in marinen Schwämmen ist nur möglich durch die enzymatische Aktivität des Silicatein- in Verbindung mit der stöchiometrischen Selbstassemblierung des Enzyms mit anderen Schwammproteinen. Die vorliegende Arbeit basiert auf einem biomimetischen Ansatz mit dem Ziel, unterschiedliche Oberflächen für biotechnologische und biomedizinische Anwendungen mit Biosilica und Biotitania zu beschichten und zu funktionalisieren. Für biotechnologische Anwendungen ist dabei das Drucken von Cystein-getaggtem Silicatein auf Gold-Oberflächen von Bedeutung, denn es ermöglichte die Bildung definierter Biotitania-Strukturen (Anatas), welche als Photokatalysator den Abbau eines organischen Farbstoffs bewirkten. Des Weiteren zeigte sich die bio-inspirierte Modifikation von Tyrosin-Resten an rekombinantem Silicatein-(via Tyrosinase) als vielversprechendes Werkzeug zur Beschleunigung der Selbstassemblierung des Enzyms zu mesoskaligen Filamenten. Durch eine solche Modifikation konnte Silicatein auch auf der Oberfläche von anorganischen Partikeln immobilisiert werden, welches die Assemblierung von anorganisch-organischen Verbundwerkstoffen in wäßriger Umgebung förderte. Die resultierenden supramolekularen Strukturen könnten dabei in bio-inspirierten und biotechnologischen Anwendungen genutzt werden. Weiterhin wurde in der vorliegenden Arbeit die Sekundärstruktur von rekombinantem Silicatein- (Monomer und Oligomer) durch Raman Spektroskopie analysiert, nachdem das Protein gemäß einer neu etablierten Methode rückgefaltet worden war. Diese Spektraldaten zeigten insbesondere Änderungen der Proteinkonformation durch Solubilisierung und Oligomerisierung des Enzyms. Außerdem wurden die osteoinduzierenden und osteogenen Eigenschaften unterschiedlicher organischer Polymere, die herkömmlich als Knochenersatzmaterial genutzt werden, durch Oberflächenmodifikation mit Silicatein/Biosilica verbessert: Die bei der Kultivierung knochenbildender Zellen auf derart oberflächenbehandelten Materialien beobachtete verstärkte Biomineralisierung, Aktivierung der Alkalischen Phosphatase, und Ausbildung eines typischen zellulären Phänotyps verdeutlichen das Potential von Silicatein/Biosilica für der Herstellung neuartiger Implantat- und Knochenersatzmaterialien.

Modellkomplexe oligonuklearer Metalloproteine auf Basis von Salen-Liganden und Spin-Crossover-Verbindungen als Chemosensoren

Der erste Teil der hier vorgestellten Arbeit verfolgt die Synthese potentieller Modellverbindungen oligonuklearer Metalloproteine auf Basis von Salen-Liganden. Dazu wurden zwei Ligandensysteme mit unterschiedlich raumerfüllenden Alkyl-Substituenten modifiziert und auf ihre koordinativen Eigenschaften hin untersucht. Für das Ligandensystem auf Basis des Bis-(salicylidenamino)-propan-2-ols konnten fünf Derivate (H3L1, H3L2A,H3L2B, H3L3, H3L4), für das zweite verwendete Ligandensystem auf Basis des 1H-3,5-Bis-(salicylidenaminomethyl)-pyrazols konnten zwei weitere Derivate (H3L5A, H3L5B) dargestellt und zu Koordinationsverbindungen umgesetzt werden.rnFür den hier verwendeten Bis-(salicylidenamino)-propan-2-ol Liganden H3L1, welcher die geringsten sterischen Anforderungen stellt, konnten mono-, tri- und tetranukleare Koordinationsverbindungen synthetisiert werden. Dabei gelingt es dem Liganden, sich sowohl in planarer als auch in unterschiedlich stark gewinkelter Konformation um ein oder mehrere Metallzentren anzuordnen, wobei der Ligand ein N2O2- seines N2O3-Donorsets zur Koordination nutzt. Die Verbindung {[Ni7(HL1)2(L1)2(OBz)4(OMe)(H2O)]}n zeigt, dass eine Verkettung der so gestalteten dreikernigen Einheiten über das freie Propanol-Sauerstoffatomdes Ligandenrückgrats möglich ist. Mit zunehmendem sterischen Anspruch der angefügten Alkylsubstituenten nimmt die geometrische Flexibilität und somit das Potential des Liganden zur Ausbildung höhernuklearer Strukturen ab. So ist für Liganden mit mittlerem sterischen Anspruch neben mononuklearen Komplexen noch die Gestaltung dinuklearer Systeme möglich. Erhöht man den sterischen Anspruch des Liganden weiter, findet nur noch eine Reaktion zu mononuklearen Verbindungen statt.rnMit den Pyrazol-basierten Ligandensystemen H3L5A und H3L5B konnten dinukleare Kupfer- und Nickelverbindungen synthetisiert werden.rnDer zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Gestaltung von Spin-Crossover Systemen (SCO). Dazu soll ein Spinübergang innerhalb des gestalteten schaltbaren Systems an die Anwesenheit eines Signalstoffs gekoppelt werden, so dass diese SCO-Verbindung als Sensor für den Signalstoff eingesetzt werden kann. Dazu wurden zwei unterschiedliche Ansätze entwickelt und untersucht.rnDie erste Methode beruht auf der Kombination eines zum Spin-Crossover befähigten Metallzentrums, eines Capping-Liganden, eines zur Signalstofferkennung funktionalisierten Co-Liganden sowie eines entsprechenden Signalstoffs. Als Capping-Liganden wurden tetra- und pentadentateLigandensysteme eingesetzt und mit unterschiedlich Picolyl-substituierten Monoaza-[12]-krone-4-Derivaten umgesetzt, wobei die Monoazakrone zur Komplexierung des Signalstoffs,hier in Form eines Alkalimetallions, zur Verfügung steht. Nach dieser ersten Methode konnten im Zeitraum dieser Arbeit noch keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt werden.rnEine vielversprechende zweite Möglichkeit beruht auf der Verwendung eines mehrzähnigen, etablierten Spin-Crossover Liganden,welcher in seiner Peripherie mit einer Bindungstasche zur Aufnahme des Signalstoffmodifiziert wird.Mit Hilfe des so gestalteten Liganden 4'-(4'''-Benzo-[15]-krone-5)-methyloxy-2,2':6',2''-terpyridin ([b15c5]-tpy) gelang die Umsetzung zu entsprechenden Eisen(II)- und Kobalt(II)komplexen der Zusammensetzung [M([b15c5]-tpy)2]2+. Alle synthetisierten Eisen(II)-Komplexe liegen aufgrund der hohen Ligandenfeldstärke des Terpyridins über einen Temperaturbereich von 300 – 400 K in ihrer diamagnetischen Low Spin Form vor. Die entsprechenden Kobalt(II)-Komplexe zeigen über einen Temperaturbereich von 2 – 350 K ein kontinuierliches, aber unvollständiges Spin-Crossover Verhalten.rnDer Einfluss von Signalstoffen auf das Spin-Crossover Verhalten der Kobalt(II)-Systeme wurde in einem ersten Versuch unter der Verwendung von Natriumionen als Signalstoff untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass Natriumionen für dieses System zwar nicht als Auslöser eines SCO verwendet werden können, sie aber dennoch eine starke Auswirkung auf den Verlauf des Spin-Crossovers haben.

Cooperative and Noncooperative Assembly of Oligopyrenotides Resolved by Atomic Force Microscopy

The supramolecular assembly of amphiphilic oligopyrenotide building blocks (covalently linked heptapyrene, Py7) is studied by atomic force microscopy (AFM) in combination with optical spectroscopy. The assembly process is triggered in a controlled manner by increasing the ionic strength of the aqueous oligomer solution. Cooperative noncovalent interactions between individual oligomeric units lead to the formation of DNA-like supramolecular polymers. We also show that the terminal attachment of a single cytidine nucleotide to the heptapyrenotide (Py7-C) changes the association process from a cooperative (nucleation−elongation) to a noncooperative (isodesmic) regime, suggesting a structure misfit between the cytidine and the pyrene units. We also demonstrate that AFM enables the identification and characterization of minute concentrations of the supramolecular products, which was not accessible by conventional optical spectroscopy.

Luminal substrate "brake" on mucosal maltase-glucoamylase activity regulates total rate of starch digestion to glucose

BACKGROUND: Starches are the major source of dietary glucose in weaned children and adults. However, small intestine alpha-glucogenesis by starch digestion is poorly understood due to substrate structural and chemical complexity, as well as the multiplicity of participating enzymes. Our objective was dissection of luminal and mucosal alpha-glucosidase activities participating in digestion of the soluble starch product maltodextrin (MDx). PATIENTS AND METHODS: Immunoprecipitated assays were performed on biopsy specimens and isolated enterocytes with MDx substrate. RESULTS: Mucosal sucrase-isomaltase (SI) and maltase-glucoamylase (MGAM) contributed 85% of total in vitro alpha-glucogenesis. Recombinant human pancreatic alpha-amylase alone contributed <15% of in vitro alpha-glucogenesis; however, alpha-amylase strongly amplified the mucosal alpha-glucogenic activities by preprocessing of starch to short glucose oligomer substrates. At low glucose oligomer concentrations, MGAM was 10 times more active than SI, but at higher concentrations it experienced substrate inhibition whereas SI was not affected. The in vitro results indicated that MGAM activity is inhibited by alpha-amylase digested starch product "brake" and contributes only 20% of mucosal alpha-glucogenic activity. SI contributes most of the alpha-glucogenic activity at higher oligomer substrate concentrations. CONCLUSIONS: MGAM primes and SI activity sustains and constrains prandial alpha-glucogenesis from starch oligomers at approximately 5% of the uninhibited rate. This coupled mucosal mechanism may contribute to highly efficient glucogenesis from low-starch diets and play a role in meeting the high requirement for glucose during children's brain maturation. The brake could play a constraining role on rates of glucose production from higher-starch diets consumed by an older population at risk for degenerative metabolic disorders.

NON-CHROMATOGRAPHIC PURIFICATION OF SYNTHETIC BIO-OLIGOMERS

Synthetic oligonucleotides and peptides have found wide applications in industry and academic research labs. There are ~60 peptide drugs on the market and over 500 under development. The global annual sale of peptide drugs in 2010 was estimated to be $13 billion. There are three oligonucleotide-based drugs on market; among them, the FDA newly approved Kynamro was predicted to have a $100 million annual sale. The annual sale of oligonucleotides to academic labs was estimated to be $700 million. Both bio-oligomers are mostly synthesized on automated synthesizers using solid phase synthesis technology, in which nucleoside or amino acid monomers are added sequentially until the desired full-length sequence is reached. The additions cannot be complete, which generates truncated undesired failure sequences. For almost all applications, these impurities must be removed. The most widely used method is HPLC. However, the method is slow, expensive, labor-intensive, not amendable for automation, difficult to scale up, and unsuitable for high throughput purification. It needs large capital investment, and consumes large volumes of harmful solvents. The purification costs are estimated to be more than 50% of total production costs. Other methods for bio-oligomer purification also have drawbacks, and are less favored than HPLC for most applications. To overcome the problems of known biopolymer purification technologies, we have developed two non-chromatographic purification methods. They are (1) catching failure sequences by polymerization, and (2) catching full-length sequences by polymerization. In the first method, a polymerizable group is attached to the failure sequences of the bio-oligomers during automated synthesis; purification is achieved by simply polymerizing the failure sequences into an insoluble gel and extracting full-length sequences. In the second method, a polymerizable group is attached to the full-length sequences, which are then incorporated into a polymer; impurities are removed by washing, and pure product is cleaved from polymer. These methods do not need chromatography, and all drawbacks of HPLC no longer exist. Using them, purification is achieved by simple manipulations such as shaking and extraction. Therefore, they are suitable for large scale purification of oligonucleotide and peptide drugs, and also ideal for high throughput purification, which currently has a high demand for research projects involving total gene synthesis. The dissertation will present the details about the development of the techniques. Chapter 1 will make an introduction to oligodeoxynucleotides (ODNs), their synthesis and purification. Chapter 2 will describe the detailed studies of using the catching failure sequences by polymerization method to purify ODNs. Chapter 3 will describe the further optimization of the catching failure sequences by polymerization ODN purification technology to the level of practical use. Chapter 4 will present using the catching full-length sequence by polymerization method for ODN purification using acid-cleavable linker. Chapter 5 will make an introduction to peptides, their synthesis and purification. Chapter 6 will describe the studies using the catching full-length sequence by polymerization method for peptide purification.

Constitutive interaction of the P2Y2 receptor with the hematopoietic cell-specific G protein G(alpha16) and evidence for receptor oligomers

Hematopoietic cells uniquely express G(alpha16), a G protein alpha-subunit of the G(q)-type. G(alpha16) is obligatory for P2Y2 receptor-dependent Ca2+-mobilization in human erythroleukemia cells and induces hematopoietic cell differentiation. We tested whether P2Y2 receptors physically interact with G(alpha16). Receptor and G protein were fused to cyan (CFP) and yellow (YFP) variants of the green fluorescent protein (GFP), respectively. When expressed in K562 leukemia cells, the fusion proteins were capable of triggering a Ca2+-signal upon receptor stimulation, demonstrating their functional integrity. In fluorescence resonance energy transfer (FRET) measurements using confocal microscopy, a strong FRET signal from the plasma membrane region of fixed, resting cells was detected when the receptor was co-expressed with the G protein as the FRET acceptor, as well as when the CFP-tagged receptor was co-expressed with receptor fused to YFP. We conclude that, under resting conditions, G(alpha16) and P2Y2 receptors form constitutive complexes, and that the P2Y2 receptor is present as an oligomer.

Studies on the muscle-specific regulatory protein myogenin

Recently, a family of muscle-specific regulatory factors that includes myogenin, myoD, myf-5, and MRF-4 has been identified. They share a high degree of homology within a region that contains a basic and helix-loop-helix domain. Transfection of many non-muscle cell types with any one of these genes results in the activation of the entire myogenic program. To explore the mechanism through which myogenin regulates myogenesis, we have prepared antibodies against peptides specific to myogenin. Using these antibodies we show that myogenin is a 32 Kd phospho-protein which is localized to the nuclei of muscle cells. In vitro, myogenin oligomerizes with the ubiquitous enhancer binding factor E12, and acquires high affinity for an element of the core of the muscle creatine kinase (MCK) enhancer that is conserved among many muscle-specific genes. Myogenin synthesized in BC$\sb3$H1 and C2 muscle cell lines also binds to the same site in the enhancer. However, the MCK enhancer is not activated in 10T1/2 fibroblasts which have been transfected with a constitutive myogenin expression vector until growth factors have been removed from the media. This result indicates that mitogenic signals block the actions of myogenin.. Mutagenesis of the myogenin/E12 binding site in the MCK enhancer abolishes binding of the hetero-oligomer and prevents trans-activation of the enhancer by myogenin. By site directed mutagenesis of myogenin we have shown that the basic region consists of three clusters of basic residues, two of which are required for binding and activation of the myogenic program. Myogenic activation, but not DNA binding, is lost when the 10 residue region between the two required basic clusters is substituted with the corresponding region from E12, which also contains a similar basic and helix-loop-helix domain. Functional revertants of this substitution mutant have identified two amino acids which confer muscle specificity. The properties of myogenin suggest that it functions as a sequence-specific DNA binding factor that interacts directly with muscle-specific genes during myogenesis and contains within its basic domain a region which imparts myogenic activation and is separable from DNA binding. ^

Combined systemic and local morpholino treatment rescues the phenotype of the SMA Delta 7 mouse model

Spinal muscular atrophy (SMA) is a childhood fatal motor neuron disease caused by mutations in the Survival Motor Neuron 1 (SMN1) gene, currently without effective treatment. One possible therapeutic approach is the use of antisense oligonucleotides (ASOs) to redirect the splicing of a paralogous gene, SMN2, to increase the production of functional SMN protein. A range of ASOs with different chemical properties is suitable for these applications, including a morpholino (MO) variant, which has a particularly excellent safety, and efficacy profile. We used a 25- nt MO oligomer sequence against the ISS-N1 region of SMN2 (HSMN2Ex7D(-10-34)) with superior efficacy to previously described sequences also in transgenic SMA Δ7 mice. The combined local and systemic administration of MO (bare or conjugated to octa-guanidine) is necessary to increase full-length SMN expression, leading to robust neuropathological features improvement and survival rescue. Additionally, several snRNA levels that are dysregulated in SMA mice could be restored by MO treatment. These results demonstrate that MO therapy is efficacious and can result in phenotypic rescue. These data provide important insights for the development of therapeutic strategies in SMA patients.

Formation of supramolecular polymers by chrysene oligomers

Supramolecular assembly of π-conjugated systems is of large interested due to the possibility to use them in electronic devices.[1] Chrysene is a polyaromatic hydrocarbon which has been studied e.g for organic light-emitting diodes (OLEDs).[2] In continuation of our previous work involving the supramolecular polymerisation of pyrene oligomers [3] an oligomer consisting of three chrysenes linked by phophodiesters was synthesised (Chry3). UV-Vis measurements show that aggregates of Chry3 are formed in aqueous medium. This is illustrated by general hypochromicity, a change in vibronic band intensities and, in particular, the appearance of a red-shifted absorption band in the S0 → S2 transition. The data suggest the formation of J-aggregates. The formation of supramolecular polymers is further studied by temperature-dependent absorption- and fluorescence measurements, and by atomic force microscopy (AFM).

Effect of Combined Systemic and Local Morpholino Treatment on the Spinal Muscular Atrophy Δ7 Mouse Model Phenotype

BACKGROUND: Spinal muscular atrophy (SMA) is a fatal motor neuron disease of childhood that is caused by mutations in the SMN1 gene. Currently, no effective treatment is available. One possible therapeutic approach is the use of antisense oligos (ASOs) to redirect the splicing of the paralogous gene SMN2, thus increasing functional SMN protein production. Various ASOs with different chemical properties are suitable for these applications, including a morpholino oligomer (MO) variant with a particularly excellent safety and efficacy profile. OBJECTIVE: We investigated a 25-nt MO sequence targeting the negative intronic splicing silencer (ISS-N1) 10 to 34 region. METHODS: We administered a 25-nt MO sequence against the ISS-N1 region of SMN2 (HSMN2Ex7D[-10-34]) in the SMAΔ7 mouse model and evaluated the effect and neuropathologic phenotype. We tested different concentrations (from 2 to 24 nM) and delivery protocols (intracerebroventricular injection, systemic injection, or both). We evaluated the treatment efficacy regarding SMN levels, survival, neuromuscular phenotype, and neuropathologic features. RESULTS: We found that a 25-nt MO sequence against the ISS-N1 region of SMN2 (HSMN2Ex7D[-10-34]) exhibited superior efficacy in transgenic SMAΔ7 mice compared with previously described sequences. In our experiments, the combination of local and systemic administration of MO (bare or conjugated to octaguanidine) was the most effective approach for increasing full-length SMN expression, leading to robust improvement in neuropathologic features and survival. Moreover, we found that several small nuclear RNAs were deregulated in SMA mice and that their levels were restored by MO treatment. CONCLUSION: These results indicate that MO-mediated SMA therapy is efficacious and can result in phenotypic rescue, providing important insights for further development of ASO-based therapeutic strategies in SMA patients.

Mutually compensatory mutations during evolution of the tetramerization domain of tumor suppressor p53 lead to impaired hetero-oligomerization

We have measured the stability and stoichiometry of variants of the human p53 tetramerization domain to assess the effects of mutation on homo- and hetero-oligomerization. The residues chosen for mutation were those in the hydrophobic core that we had previously found to be critical for its stability but are not conserved in human p73 or p51 or in p53-related proteins from invertebrates or vertebrates. The mutations introduced were either single natural mutations or combinations of mutations present in p53-like proteins from different species. Most of the mutations were substantially destabilizing when introduced singly. The introduction of multiple mutations led to two opposite effects: some combinations of mutations that have occurred during the evolution of the hydrophobic core of the domain in p53-like proteins had additive destabilizing effects, whereas other naturally occurring combinations of mutations had little or no net effect on the stability, there being mutually compensating effects of up to 9.5 kcal/mol of tetramer. The triple mutant L332V/F341L/L344I, whose hydrophobic core represents that of the chicken p53 domain, was nearly as stable as the human domain but had impaired hetero-oligomerization with it. Thus, engineering of a functional p53 variant with a reduced capacity to hetero-oligomerize with wild-type human p53 can be achieved without any impairment in the stability and subunit affinity of the engineered homo-oligomer.

The unique hetero-oligomeric nature of the subunits in the catalytic cooperativity of the yeast Cct chaperonin complex

The structural and functional organization of the Cct complex was addressed by genetic analyses of subunit interactions and catalytic cooperativity among five of the eight different essential subunits, Cct1p–Cct8p, in the yeast Saccharomyces cerevisiae. The cct1–1, cct2–3, and cct3–1 alleles, containing mutations at the conserved putative ATP-binding motif, GDGTT, are cold-sensitive, whereas single and multiple replacements of the corresponding motif in Cct6p are well tolerated by the cell. We demonstrated herein that cct6–3 (L19S), but not the parolog cct1–5 (R26I), specifically suppresses the cct1–1, cct2–3, and cct3–1 alleles, and that this suppression can be modulated by mutations in a putative phosphorylation motif, RXS, and the putative ATP-binding pocket of Cct6p. Our results suggest that the Cct ring is comprised of a single hetero-oligomer containing eight subunits of differential functional hierarchy, in which catalytic cooperativity of ATP-binding/hydrolysis takes place in a sequential manner different from the concerted cooperativity proposed for GroEL.