The Domon Family of Plant Plasma Membrane B-Type Cytochromes: Heterologous Expression, Biochemical Characterization and Physiological Roles in Vivo

The DOMON domain is a domain widespread in nature, predicted to fold in a β-sandwich structure. In plants, AIR12 is constituted by a single DOMON domain located in the apoplastic space and is GPI-modified for anchoring to the plasma membrane. Arabidopsis thaliana AIR12 has been heterologously expressed as a recombinant protein (recAtAIR12) in Pichia pastoris. Spectrophotometrical analysis of the purified protein showed that recAtAir12 is a cytochrome b. RecAtAIR12 is highly glycosylated, it is reduced by ascorbate, superoxide and naftoquinones, oxidised by monodehydroascorbate and oxygen and insensitive to hydrogen peroxide. The addition of recAtAIR12 to permeabilized plasma membranes containing NADH, FeEDTA and menadione, caused a statistically significant increase in hydroxyl radicals as detected by electron paramagnetic resonance. In these conditions, recAtAIR12 has thus a pro-oxidant role. Interestingly, AIR12 is related to the cytochrome domain of cellobiose dehydrogenase which is involved in lignin degradation, possibly via reactive oxygen species (ROS) production. In Arabidopsis the Air12 promoter is specifically activated at sites where cell separations occur and ROS, including •OH, are involved in cell wall modifications. air12 knock-out plants infected with Botrytis cinerea are more resistant than wild-type and air12 complemented plants. Also during B. cinerea infection, cell wall modifications and ROS are involved. Our results thus suggest that AIR12 could be involved in cell wall modifying reactions by interacting with ROS and ascorbate. CyDOMs are plasma membrane redox proteins of plants that are predicted to contain an apoplastic DOMON fused with a transmembrane cytochrome b561 domain. CyDOMs have never been purified nor characterised. The trans-membrane portion of a soybean CyDOM was expressed in E. coli but purification could not be achieved. The DOMON domain was expressed in P. pastoris and shown to be itself a cytochrome b that could be reduced by ascorbate.

BioTuCSoN: biochemical extension of TuCSoN to support self-organising coordination

Starting from pervasive computing paradigm, we want to face the new system's requirements, concerning, mainly, self-organisation, situatedness and adaptivity, through the definition and execution of nature-inspired patterns. They are extracted by the study of dynamics in biological systems and we consider for their implementation the biochemical tuple spaces model. In particular, the aim of the thesis is to design and realize a first biochemical extension of TuCSoN (technology based on tuple spaces model) and, then, to verify its capabilities by means of a proper case study, that deals with local self-organisation and competition of services in an open and highly-dynamic environment.

Untersuchung der DNA-bindenden Eigenschaften neuer Nukleobasen-gekoppelter Pyrrolcarboxamide, Combilexine und Hetaren[a]carbazol-Derivate: Validierung und Etablierung von in-vitro- und in-silico-Methoden

Da maligne Neoplasien durch Mutationen in Proto-Onko- und/oder Tumorsuppressorgenen ausgelöst werden, stellt die DNA eines der wichtigsten Targets für die Entwicklung neuer Zytostatika dar. Auch bei den im Arbeitskreis Pindur designten und synthetisier-ten Verbindungen der Nukleobasen-gekoppelten Pyrrolcarboxamid-, der Hetaren[a]carbazol- und der Combilexin-Reihe handelt es sich um DNA-Liganden mit potentiell antitumoraktiven Eigenschaf-ten. Die einen dualen Bindemodus aufweisenden Combilexine bestehen aus einem Interkalator (u. a. Naphthalimid, Acridon), der über einen Linker variabler Kettenlänge mit einer rinnenbin-denden, von Netropsin abgeleiteten Bispyrrol-, oder einer bioisosteren Imidazol-, Thiazol- oder Thiophen-pyrrolcarboxamid-struktur verknüpft ist. Das N-terminale Ende der Combilexine wird von einer N,N-Dimethylaminopropyl- oder -ethyl-Seitenkette gebildet. Die DNA-Affinitäten der Liganden wurden mittels Tm-Wert-Messung-en bestimmt. Diese Denaturierungsexperimente wurden sowohl mit poly(dAdT)2- als auch mit Thymus-DNA (~42% GC-Anteil) durchge-führt, um Aussagen zur Stärke und zur Sequenzselektivität der DNA-Bindung machen zu können. Des Weiteren wurden die Bindekon-stanten einiger ausgewählter Vertreter mit Hilfe des Ethidium-bromid-Verdrängungsassays ermittelt; einige Testverbindungen wurden zudem auf potentiell vorhandene, TOPO I-inhibierende Eigenschaften untersucht. Diese biochemischen und biophysika-lischen Tests wurden durch Molecular Modelling-Studien ergänzt, die die Berechnung von molekularen Eigenschaften, die Durch-führung von Konformerenanalysen und die Simulation von DNA-Ligand-Komplexen (Docking) umfassten. Durch Korrelation der in vitro-Befunde mit den in silico-Daten gelang es, vor allem für die Substanzklasse der Combilexine einige richtungweisende Struktur-Wirkungsbeziehungen aufzustellen. So konnte gezeigt werden, dass die Einführung eines Imidazol-Rings in die rinnen-bindende Hetaren-pyrrolcarboxamid-Struktur der Combilexine aufgrund der H-Brücken-Akzeptor-Funktion des sp2-hybridisierten N-Atoms eine Verschiebung der Sequenzselektivität der DNA-Bindung von AT- zu GC-reichen Arealen der DNA bedingt. Zudem erwies sich ein C3-Linker für die Verknüpfung des Naphthalimids mit dem rinnenbindenden Strukturelement als am besten geeignet, während bei den Acridon-Derivaten die Verbindungen mit einem N-terminalen Buttersäure-Linker die höchste DNA-Affinität aufwiesen. Dies ist sehr wahrscheinlich auf die im Vergleich zum Naphthalimid-Molekül geringere y-Achsen-Ausdehnung (bzgl. eines x/y-Koordinatensystems) des Acridons zurückzuführen. Die ermittelten Struktur-Wirkungsbeziehungen können dazu herangezogen werden, das rationale Design neuer DNA-Liganden mit potentiell stärkerer DNA-Bindung zu optimieren.

From Folke Medicine to Medicine Chemistry: Study, Using in Vitro and Cellular Assays, of Receptors Mechanism Involved in the Activities of Natural Compounds

My Doctorate Research has been focused on the evaluation of the pharmacological activity of a natural extract of chestnut wood (ENC) towards the cardiovascular and gastrointestinal system and on the identification of the active compounds. The ENC has been shown to contain more than 10% (w/w) of phenolic compounds, of which tannins as Vescalgin and Castalgin are the more representative. ENC cardiovascular effects have been investigated in guinea pig cardiac preparations; furthermore its activity has been evalueted in guinea pig aorta strips. ENC induced transient negative chronotropic effect in isolated spontaneously beating right atria and simultaneously positive inotropic effect in left atria driven at 1 Hz. Cardiac cholinergic receptors are not involved in the negative chronotropic effect and positive inotropic effects are not related to adrenergic receptors. In vascular smooth muscle, natural extract of chestnut did not significantly change the contraction induced by potassium (80 mM) or that induced by noradrenaline (1μM). In guinea pig ileum, ENC reduced the maximum response to carbachol in a concentrationdependent manner and behaved as a reversible non competitive antagonist. In guinea pig ileum, the antispasmodic activity of ENC showed a significant antispasmodic activity against a variety of different spasmogenic agents including histamine, KCl, BaCl2. In guinea pig proximal colon, stomach and jejunum, ENC reduced the maximum response to carbachol in a concentrationdependent manner and behaved as a reversible non competitive antagonist. ENC contracted gallbladder guinea pig in a reversible and concentration-dependent manner. This effect does not involve cholinergic and cholecystokinin receptors and it is reduced by nifedipine. ENC relaxed Oddi sphincter smooth muscle. The cholecystokinetic and Oddi sphincter relaxing activities occurred also in guinea pigs fed a lithogenic diet. The cholecystokinetic occurred also in human gallbladder. The Fractionation of the extract led to the identification of the active fraction.

Die Beteiligung von wildtypischer SOD1 an der Pathogenese der SOD1-vermittelten amyotrophen Lateralsklerose (ALS1)

Bei der amyotrophen Lateralsklerose 1 (ALS1) handelt es sich um eine altersabhängige Motoneuronenerkrankung, die durch Mutationen im Gen der Cu/Zn-Superoxid Dismutase (hSOD1mut) ausgelöst wird. Die toxischen Eigen¬schaften von hSOD1mut (z. B. Aggregations- oder oxidative Stress-Hypothese) und der Einfluss wildtypischer hSOD1 (hSOD1WT) auf den Krankheitsverlauf sind weithin ungeklärt. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen von hSOD1mut-hSOD1WT-Heterodimeren im Vergleich zu mutanten Homodimeren auf die Pathogenese der ALS1 zu untersuchen. Nachdem gezeigt werden konnte, dass es in humanen Zellen in der Tat zu einer Bil¬dung hetero- und homodimerer mutanter hSOD1-Spezies kommt, wurden Dimerfusionsproteine aus zwei hSOD1-Monomeren generiert, die durch einen flexiblen Peptidlinker verbunden und C-terminal mit eGFP markiert waren. Neben hSOD1WT-WT wurden hSOD1mut-mut- und hSOD1mut-WT-Dimere mit vier verschiedenen hSOD1-Mu¬tanten untersucht. Die biochemische Charakterisierung zeigte, dass alle Dimere, die wildtyp-ähnliche hSOD1mut enthielten, eine Dismutaseaktivität aufwiesen. Im Gegensatz dazu war das Homodimer aus zwei metalldefizienten hSOD1G85R inaktiv, wobei interessanterweise hSOD1G85R mit hSOD1WT ein Dismutase-aktives Dimer bilden konnte. Sowohl in Zellkultursystemen als auch in einem C. elegans-Modell bildeten alle mutanten Homodimere vermehrt Aggregate im Vergleich zu den dazugehörigen Heterodimeren. Dieses Aggregationsverhalten korrelierte aber nicht mit der Toxizität der Dimerproteine in Überlebensassays und einer C. elegans Bewe¬gungs¬analyse. In diesen funktionellen Studien assoziierte die Toxizität der dimeren Fusionsproteine mit der enzy¬matischen Aktivität. In Übereinstimmung mit diesen Ergebnissen konnte gezeigt werden, dass hSOD1WT nicht in hSOD1mut-abhängigen Aggregaten vorkommt. Die Ergebnisse dieser Studie sprechen gegen die Aggregation als primäre toxische Eigen¬schaft der hSOD1mut und unterstützen die oxidative Stress-Hypothese. Dis¬mutase-inaktive hSOD1mut können eine untypische Enzymaktivität durch die Heterodimerisierung mit hSODWT erlangen, die auf diese Weise maßgeblich an der Pathogenese der ALS1 beteiligt sein könnte.

Ein neues Lumineszenzverfahren zur quantitativen und räumlichen Darstellung von Produkten des Glukosestoffwechsels in Tumoren

Eine neue auf einer Pyruvat abhängigen Biolumineszenzreaktion basierende Methode zur quantitativen Bestimmung und räumlichen Darstellung von Pyruvat in Gefrierschnitten von Gewebeproben wurde entwickelt. Dabei wurden biochemische Reaktionen so verknüpft, dass sichtbares Licht proportional zum eingesetzten Pyruvatgehalt entstand. Eine hoch signifikante positive Korrelation beider Parameter ermöglichte eine Kalibrierung mit definierten Pyruvatgehalten und damit die Quantifizierung in unbekannten Proben. Die Nachweisgrenze lag bei 0,04 pmol Pyruvat mit einer Auflösung von 0,02 µmol/g. Das Biolumineszenzverfahren wurde mit Hilfe anderer Methoden validiert, wobei eine Wiederfindung mit einer konzentrationsabhängigen Abweichung von ≤ 15 % erzielt wurde. Ein wesentlicher Vorteil der neuen Methode gegenüber bisherigen Verfahren zum Pyruvatnachweis liegt in der Messwerterfassung definierter histologischer Gewebsareale. Dies wird durch computergesteuerte Überlagerung von Metabolitverteilungen mit Schnittbildern aus Strukturfärbungen und interaktiver, „optischer Mikrodissektion“ der Gewebeschnitte möglich. Ein weiterer Nutzen der Methode ist deren optionale Kombination mit der Biolumineszenztechnik für andere Stoffwechselprodukte. So ermöglicht eine exakte Superposition zweier Metabolitbilder von unmittelbar aufeinander folgenden Gewebeschnitten eine korrelative Kolokalisationsanalyse beider Metabolite. Das Ergebnis lässt sich zum einen in Form von „Pixel-zu-Pixel“-Korrelationen dokumentieren, zum anderen kann für jeden Bildpunkt ein Laktat/Pyruvat-Verhältnis als Maß für den Redoxzustand des Gewebes berechnet und dargestellt werden. Hieraus ergeben sich z.B. räumliche L/P-Verteilungen (L/P-Karten). Ein solches „Redoximaging“ durch Kartierung des L/P-Quotienten ist bislang mit keinem anderen Verfahren möglich. Während die Entwicklung des Pyruvatnachweises eine Kernaufgabe der vorliegenden Arbeit darstellte, bestand ein weiterer wesentlicher Teil in der praktischen Anwendung der neuen Methode im Bereich der experimentellen Tumorforschung. So ergaben Messungen an acht verschiedenen Linien von humanen HNSCC-Xenotransplantaten (n = 70 Tumoren) einen mittleren Pyruvatgehalt von 1,24 ± 0,20 µmol/g. In sechs Humanbiopsien derselben Tumorentität wurde ein durchschnittlicher Pyruvatgehalt von 0,41 ± 0,09 µmol/g gemessen. Bei den Xenotransplantaten konnte eine signifikante positive Korrelation zwischen der Summe aus Laktat und Pyruvat bzw. dem L/P Verhältnis und der Strahlensensibilität gefunden werden, wobei das L/P-Verhältnis ebenso wie die Summe aus Laktat und Pyruvat maßgeblich von Laktat bestimmt wurden. Der Zusammenhang der Metabolite mit der Strahlensensibilität lässt sich durch deren antioxidative Eigenschaften erklären. Da der Redoxzustand der Zelle kritisch bezüglich der Effizienz von ROS induzierenden Therapieansätzen, wie z.B. Bestrahlung oder bestimmter Chemotherapeutika sein kann, könnte die Bestimmung des L/P Verhältnisses als prognostischer Faktor prädiktive Aussagen über die Sensibilität gegenüber solchen Behandlungen erlauben.

Understanding The Physiological, Biochemical, and Molecular Mechanisms of Salinity Tolerance in Strawberry Cultivars and in HvTPK1-Overexpressed Barley

The research was carried out to investigate of main elements of salt stress response in two strawberry cultivars, Elsanta and Elsinore. Plants were grown under 0, 10, 20 and 40 mM NaCl for 80 days. Salinity dramatically affected growth in both cultivars, although Elsinore appeared to be more impaired than Elsanta. Moreover a significant reduction of leaf photosynthesis, evaporation, and stomatal conductance was recorded 24 hrs after the stress was applied in both cultivars, whereas physiological functions were differentially restored after acclimation. However, cv. Elsanta had more efficient leaf gas exchange and water status than cv. Elsinore. In general, Fruit yield reduced upon salinization, wheares fruit quality concerning fruit taste, aroma, appearance, total soluble solids and titratable acidity, did not change but rather was enhanced under moderate salinity. On the other hand fruit quality was impaired at severe salt stress. Fruit antioxidant content and antioxidant capacity were enhanced significantly by increasing salt concentration in both cultivars. The oxidative effects of the stress were defined by the measures of some enzymatic activities and lipid peroxidation. Consistently, an increase in superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), peroxide dismutase (POD) enzymes and higher content of proline and soluble proteins were observed in cv. Elsinore than in cv. Elsanta. The increase coincided with a decrease in lipid peroxidation. The research confirmed that although strawberry cultivars were sensitive to salinity, difference between cultivars exist; The experiment revealed that cv. Elsanta could stand severe salt stress, which was lethal to cv. Elsinore. The parameters measured in the previous experiment were proposed as early screening tools for the salt stress response in nine strawberry genotypes. The results showed that, wheares Elsanta and Elsinore cultivars had a lower dry weight reduction at 40 mM NaCl among cultivars, Naiad, Kamila, and Camarosa were the least salt-sensitive cultivars among the screened.

Effects of Global Warming on Berry Composition of cv. Sangiovese: Biochemical and Molecular Aspects and Agronomical Adaptation Approaches

Wine grape must deal with serious problems due to the unfavorable climatic conditions resulted from global warming. High temperatures result in oxidative damages to grape vines. The excessive elevated temperatures are critical for grapevine productivity and survival and contribute to degradation of grape and wine quality and yield. Elevated temperature can negatively affect anthocyanin accumulation in red grape. Particularly, cv. Sangiovese was identified to be very sensitive to such condition. The quantitative real-time PCR analysis showed that flavonoid biosynthetic genes were slightly repressed by high temperature. Also, the heat stress repressed the expression of the transcription factor “VvMYBA1” that activates the expression of UFGT. Moreover, high temperatures had repressing effects on the activity of the flavonoids biosynthetic enzymes “PAL” and “UFGT”.Anthocyanin accumulation in berry skin is due to the balance between its synthesis and oxidation. In grape cv. Sangiovese, the gene transcription and activity of peroxidases enzyme was elevated by heat stress as a defensive mechanism of ROS-scavenging. Among many isoforms of peroxidases genes, one gene (POD 1) was induced in Sangiovese under thermal stress condition. This gene was isolated and evaluated via the technique of genes transformation from grape to Petunia. Reduction in anthocyanins concentration and higher enzymatic activity of peroxidase was observed in POD 1 transformed Petunia after heat shock compared to untrasformed control. Moreover, in wine producing regions, it is inevitable for the grape growers to adopt some adaptive strategies to alleviate grape damages to abiotic stresses. Therefore, in this thesis, the technique of post veraison trimming was done to improve the coupling of phenolic and sugar ripening in Vitis vinifera L. cultivar Sangiovese. Trimming after veraison showed to be executable to slow down the rate of sugar accumulation in grape (to decrease the alcohol potential in wines) without evolution of the main berry flavonoids compounds.

Effects of pesticides on honey bees (Apis mellifera L.): study of a specific route of exposure and evaluation of biochemical-physiological changes in the assessment of the pesticides toxicity

In this study, some important aspects of the relationship between honey bees (Apis mellifera L.) and pesticides have been investigated. In the first part of the research, the effects of the exposure of honey bees to neonicotinoids and fipronil contaminated dusts were analyzed. In fact, considerable amounts of these pesticides, employed for maize seed dressing treatments, may be dispersed during the sowing operations, thus representing a way of intoxication for honey bees. In particular, a specific way of exposure to this pesticides formulation, the indirect contact, was taken into account. To this aim, we conducted different experimentations, in laboratory, in semi-field and in open field conditions in order to assess the effects on mortality, foraging behaviour, colony development and capacity of orientation. The real dispersal of contaminated dusts was previously assessed in specific filed trials. In the second part, the impact of various pesticides (chemical and biological) on honey bee biochemical-physiological changes, was evaluated. Different ways and durations of exposure to the tested products were also employed. Three experimentations were performed, combining Bt spores and deltamethrin, Bt spores and fipronil, difenoconazole and deltamethrin. Several important enzymes (GST, ALP, SOD, CAT, G6PDH, GAPDH) were selected in order to test the pesticides induced variations in their activity. In particular, these enzymes are involved in different pathways of detoxification, oxidative stress defence and energetic metabolism. The results showed a significant effect on mortality of neonicotinoids and fipronil contaminated dusts, both in laboratory and in semi-field trials. However, no effects were evidenced in honey bees orientation capacity. The analysis of different biochemical indicators highlighted some interesting physiological variations that can be linked to the pesticide exposure. We therefore stress the attention on the possibility of using such a methodology as a novel toxicity endpoint in environmental risk assessment.

Das wasserlösliche Chlorophyll-Protein (WSCP): biochemische Charakterisierung und Untersuchungen zur biologischen Funktion

Das WSCP (water-soluble chlorophyll protein) der Brassicaceen ist das einzig bekannte Chlorophyll-bindende Protein, welches keine Carotinoide bindet. Es ist ein wasserlösliches, ca. 80 kDa großes Homotetramer mit 1-4 gebundenen Chlorophyllen. Das Protein ist äußerst stabil und vermag die gebundenen Chlorophylle vor Photooxidation zu schützen. Seine Funktion in der Pflanze ist bis heute ein Rätsel und sollte in dieser Arbeit zusammen mit seinen biochemischen Eigenschaften weiter aufgeklärt werden. Es wurden Versuche durchgeführt mit nativem und rekombinantem WSCP aus Blumenkohl (BoWSCP bzw. BoWSCPhis) und aus Arabidopsis thaliana (AtWSCP bzw. AtWSCPhis). Die Expressionsausbeute von BoWSCPhis konnte verbessert werden und zusätzlich wurde die Rekonstitutionsmethode für das rekombinante WSCP optimiert, sodass das pigmentierte Protein mit hoher Ausbeute und großer Reinheit gewonnen werden konnte. Zudem wurde ein neuer WSCP-Klon hergestellt, mBoWSCPhis, der in seiner Sequenz dem maturen nativen BoWSCP entspricht und weitaus weniger Aggregationsprobleme zeigte als BoWSCPhis. Weiterführende Versuche zur Stabilität und dem Oligomerisierungsgrad von WSCP haben die neue Erkenntnis erbracht, dass die Phytolschwänze der von WSCP gebundenen Chlorophylle zwar essentiell sind für die Stabilität von WSCP-Oligomeren, nicht aber für die Oligomerisierung selbst, wie es in der Literatur bislang postuliert wurde. Zusätzlich zu ihrer außerordentlichen Hitzestabilität erwiesen sich die Chl-WSCP-Komplexe als stabil in einem breiten pH-Spektrum. AtWSCPhis besaß eine vergleichbare Stabilität, und auch das Oligomerisierungsverhalten zeigte Ähnlichkeiten zu BoWSCPhis. Im Rahmen einer Forschungskooperation mit dem Institut für Optik und Atomare Physik der TU Berlin wurden zeitaufgelöste Absorptionsspektren sowie Tieftemperatur-Fluoreszenzspektren an Chl-WSCP-Komplexen gemessen. Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass die WSCP-gebundenen Chlorophylle excitonisch gekoppelt sind und wiesen zudem auf unterschiedliche Chl-Bindungsmodi hin. Aufgrund seines einfachen Aufbaus und seines geringen Chlorophyllgehalts hat sich WSCP bei diesen Versuchen als sehr geeignetes Modellsystem erwiesen, um Messungen zur Chlorophyllbindung mit Vorhersagen aus theoretischen Modellen zu vergleichen. Bei den Experimenten zur biologischen Funktion wurden einerseits Arabidopsis thaliana WSCP-„knock-out“-Pflanzen unter verschiedenen Bedingungen charakterisiert, andererseits wurden Experimente mit rekombinantem WSCP durchgeführt, um eine mögliche Interaktion mit anderen Proteinen zu detektieren. Die vegetativen Stadien der Mutante zeigten keinen Phänotyp; das native Arabidopsis-WSCP konnte später bei der Wildtyp-Pflanze ausschließlich in jungen Schoten lokalisiert werden, was eine Erklärung hierfür lieferte. Rekombinantes WSCP konnte Chlorophylle aus nativem LHCII entfernen, eine Interaktion mit Chlorophyllase konnte jedoch nicht nachgewiesen werden; daher konnte auch die Hypothese, WSCP sei ein Chl-Carrier beim Chl-Abbau, nicht untermauert werden. Bei den durchgeführten Enzym-Assays wurde eine geringfügige Inhibition der Cysteinprotease Papain beobachtet, aber keine Inhibition der Serinprotease Trypsin, obwohl Blumenkohl-WSCP N-proximal das Motiv der Künitz-Proteaseinhibitoren besitzt. Die Frage nach der biologischen Funktion von WSCP bleibt also weiterhin offen.

Advances in methods to detect, isolate and quantify foodborne pathogens

Foodborne diseases impact human health and economies worldwide in terms of health care and productivity loss. Prevention is necessary and methods to detect, isolate and quantify foodborne pathogens play a fundamental role, changing continuously to face microorganisms and food production evolution. Official methods are mainly based on microorganisms growth in different media and their isolation on selective agars followed by confirmation of presumptive colonies through biochemical and serological test. A complete identification requires form 7 to 10 days. Over the last decades, new molecular techniques based on antibodies and nucleic acids allow a more accurate typing and a faster detection and quantification. The present thesis aims to apply molecular techniques to improve official methods performances regarding two pathogens: Shiga-like Toxin-producing Escherichia coli (STEC) and Listeria monocytogenes. In 2011, a new strain of STEC belonging to the serogroup O104 provoked a large outbreak. Therefore, the development of a method to detect and isolate STEC O104 is demanded. The first objective of this work is the detection, isolation and identification of STEC O104 in sprouts artificially contaminated. Multiplex PCR assays and antibodies anti-O104 incorporated in reagents for immunomagnetic separation and latex agglutination were employed. Contamination levels of less than 1 CFU/g were detected. Multiplex PCR assays permitted a rapid screening of enriched food samples and identification of isolated colonies. Immunomagnetic separation and latex agglutination allowed a high sensitivity and rapid identification of O104 antigen, respectively. The development of a rapid method to detect and quantify Listeria monocytogenes, a high-risk pathogen, is the second objective. Detection of 1 CFU/ml and quantification of 10–1,000 CFU/ml in raw milk were achieved by a sample pretreatment step and quantitative PCR in about 3h. L. monocytogenes growth in raw milk was also evaluated.

Structural and biochemical studies of Sporosarcina pasteurii UreE: a nickel-chaperone involved in the urease activation process

Urease is a nickel-dependent enzyme that catalyzes hydrolysis of urea in the last step of organic nitrogen mineralization. Its active site contains a dinuclear center for Ni(II) ions that must be inserted into the apo-enzyme through the action of four accessory proteins (UreD, UreE, UreF, UreG) leading to activation of urease. UreE, acting as a metallo-chaperone, delivers Ni(II) to the preformed complex of apo-urease-UreDFG and has the capability to enhance the GTPase activity of UreG. This study, focused on characterization of UreE from Sporosarcina pasteurii (SpUreE), represents a piece of information on the structure/mobility-function relationships that control nickel binding by SpUreE and its interaction with SpUreG. A calorimetric analysis revealed the occurrence of a binding event between these proteins with positive cooperativity and a stoichiometry consistent with the formation of the (UreE)2-(UreG)2 hetero-oligomer complex. Chemical Shift Perturbations induced by the protein-protein interaction were analyzed using high-resolution NMR spectroscopy, which allowed to characterize the molecular details of the protein surface of SpUreE involved in the complex formation with SpUreG. Moreover, backbone dynamic properties of SpUreE, determined using 15N relaxation analysis, revealed a general mobility in the nanoseconds time-scale, with the fastest motions observed at the C-termini. The latter analysis made it possible for the first time to characterize of the C-terminal portions, known to contain key residues for metal ion binding, that were not observed in the crystal structure of UreE because of disorder. The residues belonging to this portion of SpUreE feature large CSPs upon addition of SpUreG, showing that their chemical environment is directly affected by protein-protein interaction. Metal ion selectivity and affinity of SpUreE for cognate Ni(II) and non cognate Zn(II) metal ions were determined, and the ability of the protein to select Ni(II) over Zn(II), in consistency with the proposed role in Ni(II) cations transport, was established.

Characterization of the Caspr2 and NLGN2 ligands: a proteomic and biochemical approach

Autism Spectrum Disorder (ASD) is a range of early-onset conditions classified as neurodevelopmental disorders, characterized by deficits in social interactions and communication, as well as by restricted interest and repetitive behaviors. Among the proteins associated with this spectrum of disease there are Caspr2, α-NRXN1, NLGN1-4. Caspr2 is involved in the clustering of K+ channels at the juxtaparanodes, where it is proposed to bind TAG-1. Recent works reported a synaptic localization of Caspr2, but little is know on its role in this compartment. NRXNs and their ligand NLGNs, instead, have a well-defined role in the formation and maintenance of synapses. Among the neuroligins, NLGN2 binds NRXNs with the lowest affinity, suggesting that it could have other not yet characterized ligands. The aim of this work was to better characterize the binding of Caspr2 to TAG-1 and to identify new potential binding partner for Caspr2 and NLGN2. Unexpectedly, using Isothermal Titration Calorimetry and co-immunoprecipitation experiments the direct association of the first two proteins could not be verified and the results indicate that the first evidences reporting it were biased by false-positive artifacts. These findings, together with the uncharacterized synaptic localization of Caspr2, made the identification of new potential binding partners for this protein necessary. To find new proteins that associate with Caspr2 and NLGN2, affinity chromatography in tandem with mass spectrometry experiments were performed. Interestingly, about 25 new potential partners were found for these two proteins and NLGN1, that was originally included as a control: 5 of those, namely SFRP1, CLU, APOE, CNTN1 and TNR, were selected for further investigations. Only the association of CLU to NLGN2 was confirmed. In the future, screenings of the remaining candidates have to be carried out and the functional role for the proposed NLGN2-CLU complex has to be studied.

Molekularbiologische Charakterisierung und funktionelle Analyse des in Kopf-Hals-Tumoren überexprimierten Proteins OSF-2

Im Rahmen dieser Arbeit wurde das in Kopf-Hals-Tumoren überexprimierte, hinsichtlich seiner Funktion jedoch kontrovers diskutierte Protein OSF-2 (Osteoblast specific factor-2) molekularbiologisch charakterisiert und funktionell analysiert. Die endogene OSF-2-Expression wurde in verschiedenen Zelllinien, Geweben, sowie in Primärzellen untersucht. Die durch das N-terminale Sekretionssignal verursachte Proteinsekretion konnte sowohl morphologisch als auch biochemisch nachgewiesen werden. In Microarray-Experimenten konnte gezeigt werden, dass sowohl Tumorzellen als auch Tumor- assoziierte Fibroblasten OSF-2 exprimieren, wobei allerdings keine OSF-2-Isoformsignatur nachgewiesen werden konnte. In funktionellen Assays zeigte OSF-2 zwar keinen Einfluß auf die Proliferation von Kopf-Hals-Tumorzellen, stellte sich jedoch als wichtig für die Zellmigration und das Überleben der Zellen unter ungünstigen Wachstumsbedingungen heraus. Diese Ergebnisse konnten anhand von in vivo-Untersuchungen bestätigt werden. Das verbesserte Überleben der Zellen lässt sich wahrscheinlich durch die OSF-2-induzierte Aktivierung des “Survival Pathways“ Akt/PKB über die PI3-Kinase erklären. Bei den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen humanen Tumorgewebes war es möglich eine neue Tumorzelllinie des frontalen Sinus zu etablieren und charakterisieren. Hierbei konnte gezeigt werden, dass es sich um HPV-negative, morphologisch äußerst heterogene Zellen mit geringer Migrationsgeschwindigkeit handelt, die eine große Zahl an Chromosomenaberrationen aufweisen. Sie konnten ungünstige Wachstumsbedingungen wie Nährstoffmangel besser überleben als die im Vergleich untersuchte Kopf-Hals-Tumorzelllinie und waren dazu in der Lage nach subkutaner Injektion Tumorwachstum in immundefizienten Nacktmäusen zu initiieren. Aus der Tumorzellpopulation isolierte CD133+ Zellen erhöhten die Tumorinitiation erheblich, was auf das Vorhandensein von Tumorstammzellen innerhalb der CD133+ Zellfraktion hindeutet. Um die Bedeutung von OSF-2 als Zielstruktur für neue Krebsmedikamente einschätzen zu können, sind allerdings weitere Informationen über dessen funktionelle Bedeutung notwendig.

Methods and strategies to identify the mode of action of phytoactive compounds

Small molecules affecting biological processes in plants are widely used in agricultural practice as herbicides or plant growth regulators and in basic plant sciences as probes to study the physiology of plants. Most of the compounds were identified in large screens by the agrochemical industry, as phytoactive natural products and more recently, novel phytoactive compounds originated from academic research by chemical screens performed to induce specific phenotypes of interest. The aim of the present PhD thesis is to evaluate different approaches used for the identification of the primary mode of action (MoA) of a phytoactive compound. Based on the methodologies used for MoA identification, three approaches are discerned: a phenotyping approach, an approach based on a genetic screen and a biochemical screening approach.rnFour scientific publications resulting from my work are presented as examples of how a phenotyping approach can successfully be applied to describe the plant MoA of different compounds in detail.rnI. A subgroup of cyanoacrylates has been discovered as plant growth inhibitors. A set of bioassays indicated a specific effect on cell division. Cytological investigations of the cell division process in plant cell cultures, studies of microtubule assembly with green fluorescent protein marker lines in vivo and cross resistant studies with Eleusine indica plants harbouring a mutation in alpha-tubulin, led to the description of alpha-tubulin as a target site of cyanoacrylates (Tresch et al., 2005).rnII. The MoA of the herbicide flamprop-m-methyl was not known so far. The studies described in Tresch et al. (2008) indicate a primary effect on cell division. Detailed studies unravelled a specific effect on mitotic microtubule figures, causing a block in cell division. In contrast to other inhibitors of microtubule rearrangement such as dinitroanilines, flamprop-m-methyl did not influence microtubule assembly in vitro. An influence of flamprop-m-methyl on a target within the cytoskeleton signalling network could be proposed (Tresch et al., 2008).rnIII. The herbicide endothall is a protein phosphatase inhibitor structurally related to the natural product cantharidin. Bioassay studies indicated a dominant effect on dark-growing cells that was unrelated to effects observed in the light. Cytological characterisation of the microtubule cytoskeleton in corn tissue and heterotrophic tobacco cells showed a specific effect of endothall on mitotic spindle formation and ultrastructure of the nucleus in combination with a decrease of the proliferation index. The observed effects are similar to those of other protein phosphatase inhibitors such as cantharidin and the structurally different okadaic acid. Additionally, the observed effects show similarities to knock-out lines of the TON1 pathway, a protein phosphatase-regulated signalling pathway. The data presented in Tresch et al. (2011) associate endothall’s known in vitro inhibition of protein phosphatases with in vivo-effects and suggest an interaction between endothall and the TON1 pathway.rnIV. Mefluidide as a plant growth regulator induces growth retardation and a specific phenotype indicating an inhibition of fatty acid biosynthesis. A test of the cuticle functionality suggested a defect in the biosynthesis of very-long-chain fatty acids (VLCFA) or waxes. Metabolic profiling studies showed similarities with different groups of VLCFA synthesis inhibitors. Detailed analyses of VLCFA composition in tissues of duckweed (Lemna paucicostata) indicated a specific inhibition of the known herbicide target 3 ketoacyl-CoA synthase (KCS). Inhibitor studies using a yeast expression system established for plant KCS proteins verified the potency of mefluidide as an inhibitor of plant KCS enzymes. It could be shown that the strength of inhibition varied for different KCS homologues. The Arabidopsis Cer6 protein, which induces a plant growth phenotype similar to mefluidide when knocked out, was one of the most sensitive KCS enzymes (Tresch et al., 2012).rnThe findings of my own work were combined with other publications reporting a successful identification of the MoA and primary target proteins of different compounds or compound classes.rnA revised three-tier approach for the MoA identification of phytoactive compounds is proposed. The approach consists of a 1st level aiming to address compound stability, uniformity of effects in different species, general cytotoxicity and the effect on common processes like transcription and translation. Based on these findings advanced studies can be defined to start the 2nd level of MoA characterisation, either with further phenotypic characterisation, starting a genetic screen or establishing a biochemical screen. At the 3rd level, enzyme assays or protein affinity studies should show the activity of the compound on the hypothesized target and should associate the in vitro effects with the in vivo profile of the compound.