Structural Insights into Human Peroxisome Proliferator Activated Receptor Delta (PPAR-Delta) Selective Ligand Binding

Peroxisome proliferator activated receptors (PPARs delta, alpha and gamma) are closely related transcription factors that exert distinct effects on fatty acid and glucose metabolism, cardiac disease, inflammatory response and other processes. Several groups developed PPAR subtype specific modulators to trigger desirable effects of particular PPARs without harmful side effects associated with activation of other subtypes. Presently, however, many compounds that bind to one of the PPARs cross-react with others and rational strategies to obtain highly selective PPAR modulators are far from clear. GW0742 is a synthetic ligand that binds PPAR delta more than 300-fold more tightly than PPAR alpha or PPAR gamma but the structural basis of PPAR delta: GW0742 interactions and reasons for strong selectivity are not clear. Here we report the crystal structure of the PPAR delta:GW0742 complex. Comparisons of the PPAR delta:GW0742 complex with published structures of PPARs in complex with alpha and gamma selective agonists and pan agonists suggests that two residues (Val312 and Ile328) in the buried hormone binding pocket play special roles in PPAR delta selective binding and experimental and computational analysis of effects of mutations in these residues confirms this and suggests that bulky substituents that line the PPAR alpha and gamma ligand binding pockets as structural barriers for GW0742 binding. This analysis suggests general strategies for selective PPAR delta ligand design.

Cannabidiol, a non-psychotropic plant-derived cannabinoid, decreases inflammation in a murine model of acute lung injury: Role for the adenosine A(2A) receptor

Acute lung injury is an inflammatory condition for which treatment is mainly supportive because effective therapies have not been developed. Cannabidiol, a non-psychotropic cannabinoid component of marijuana (Cannabis sativa), has potent immunosuppressive and anti-inflammatory properties. Therefore, we investigated the possible anti-inflammatory effect of cannabidiol in a murine model of acute lung injury. Analysis of total inflammatory cells and differential in bronchoalveolar lavage fluid was used to characterize leukocyte migration into the lungs; myeloperoxidase activity of lung tissue and albumin concentration in the bronchoalveolar lavage fluid were analyzed by colorimetric assays; cytokine/chemokine production in the bronchoalveolar lavage fluid was also analyzed by Cytometric Bead Arrays and Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA). A single dose of cannabidiol (20 mg/kg) administered prior to the induction of LPS (lipopolysaccharide)-induced acute lung injury decreases leukocyte (specifically neutrophil) migration into the lungs, albumin concentration in the bronchoalveolar lavage fluid, myeloperoxidase activity in the lung tissue, and production of pro-inflammatory cytokines (TNF and IL-6) and chemokines (MCP-1 and MIP-2) 1, 2, and 4 days after the induction of LPS-induced acute lung injury. Additionally, adenosine A(2A) receptor is involved in the anti-inflammatory effects of cannabidiol on LPS-induced acute lung injury because ZM241385 (4-(2[7-Amino-2-(2-furyl)[1,2,4] triazolo[2,3-a][1,3,5]triazin-5-ylamino]ethyl) phenol) (a highly selective antagonist of adenosine A(2A) receptor) abrogated all of the anti-inflammatory effects of cannabidiol previously described. Thus, we show that cannabidiol has anti-inflammatory effects in a murine model of acute lung injury and that this effect is most likely associated with an increase in the extracellular adenosine offer and signaling through adenosine A(2A) receptor. (C) 2012 Elsevier B. V. All rights reserved.

Toll-like receptor 2/MyD88 signaling mediates zymosan-induced joint hypernociception in mice: Participation of TNF-alpha, IL-1 beta and CXCL1/KC

Arthritic pain is a serious health problem that affects a large number of patients. Toll-like receptors (TLRs) activation within the joints has been implicated in pathophysiology of arthritis. However, their role in the genesis of arthritic pain needs to be demonstrated. In the present study, it was addressed the participation of TLR2 and TLR4 and their adaptor molecule MyD88 in the genesis of joint hypernociception (a decrease in the nociceptive threshold) during zymosan-induced arthritis. Zymosan injected in the tibio-tarsal joint induced mechanical hypernociception in C57BL/6 wild type mice that was reduced in TLR2 and MyD88 null mice. On the other hand, zymosan-induced hypernociception was similar in C3H/HePas and C3H/Hej mice (TLR4 mutant mice). Zymosan-induced joint hypernociception was also reduced in TNFR1 null mice and in mice treated with IL-1 receptor antagonist or with an antagonist of CXCR1/2. Moreover, the joint production of TNF-alpha, IL-1 beta and CXCL1/KC by zymosan was dependent on TLR2/MyD88 signaling. Investigating the mechanisms by which TNF-alpha, IL-1 beta and CXCL1/KC mediate joint hypernociception, joint administration of these cytokines produced mechanical hypernociception, and they act in an interdependent manner. In last instance, their hypernociceptive effects were dependent on the production of hypernociceptive mediators, prostaglandins and sympathetic amines. These results indicate that in zymosan-induced experimental arthritis, TLR2/MyD88 is involved in the cascade of events of joint hypernociception through a mechanism dependent on cytokines and chemokines production. Thus, TLR2/MyD88 signaling might be a target for the development of novel drugs to control pain in arthritis. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

The consequences of growth hormone-releasing hormone receptor haploinsufficiency for bone quality and insulin resistance

Objective Growth hormone (GH)/insulin-like growth factor (IGF) axis and insulin are key determinants of bone remodelling. Homozygous mutations in the GH-releasing hormone receptor (GHRHR) gene (GHRHR) are a frequent cause of genetic isolated GH deficiency (IGHD). Heterozygosity for GHRHR mutation causes changes in body composition and possibly an increase in insulin sensitivity, but its effects on bone quality are still unknown. The objective of this study was to assess the bone quality and metabolism and its correlation with insulin sensitivity in subjects heterozygous for a null mutation in the GHRHR. Patients and methods A cross-sectional study was performed on 76 normal subjects (68.4% females) (N/N) and 64 individuals (64.1% females) heterozygous for a mutation in the GHRHR (MUT/N). Anthropometric features, quantitative ultrasound (QUS) of the heel, bone markers [osteocalcin (OC) and CrossLaps], IGF-I, glucose and insulin were measured, and homeostasis model assessment of insulin resistance (HOMAIR) was calculated. Results There were no differences in age or height between the two groups, but weight (P = 0.007) and BMI (P = 0.001) were lower in MUT/N. There were no differences in serum levels of IGF-I, glucose, T-score or absolute values of stiffness and OC, but insulin (P = 0.01), HOMAIR (P = 0.01) and CrossLaps (P = 0.01) were lower in MUT/N. There was no correlation between OC and glucose, OC and HOMAIR in the 140 individuals as a whole or in the separate MUT/N or N/N groups. Conclusions This study suggests that one allele mutation in the GHRHR gene has a greater impact on energy metabolism than on bone quality.

Cocaine induces cell death and activates the transcription nuclear factor kappa-b in pc12 cells

Cocaine is a worldwide used drug and its abuse is associated with physical, psychiatric and social problems. The mechanism by which cocaine causes neurological damage is very complex and involves several neurotransmitter systems. For example, cocaine increases extracellular levels of dopamine and free radicals, and modulates several transcription factors. NF-κB is a transcription factor that regulates gene expression involved in cellular death. Our aim was to investigate the toxicity and modulation of NF-κB activity by cocaine in PC 12 cells. Treatment with cocaine (1 mM) for 24 hours induced DNA fragmentation, cellular membrane rupture and reduction of mitochondrial activity. A decrease in Bcl-2 protein and mRNA levels, and an increase in caspase 3 activity and cleavage were also observed. In addition, cocaine (after 6 hours treatment) activated the p50/p65 subunit of NF-κB complex and the pretreatment of the cells with SCH 23390, a D1 receptor antagonist, attenuated the NF-κB activation. Inhibition of NF-κB activity by using PDTC and Sodium Salicilate increased cell death caused by cocaine. These results suggest that cocaine induces cell death (apoptosis and necrosis) and activates NF-κB in PC12 cells. This activation occurs, at least partially, due to activation of D1 receptors and seems to have an anti-apoptotic effect on these cells.

The regulation of NHE₁ and NHE₃ activity by angiotensin II is mediated by the activation of the angiotensin II type I receptor/phospholipase C/calcium/calmodulin pathway in distal nephron cells

Angiotensin II (Ang II), acting via the AT1 receptor, induces an increase in intracellular calcium [Ca(2+)]i that then interacts with calmodulin (CaM). The Ca(2+)/CaM complex directly or indirectly activates sodium hydrogen exchanger 1 (NHE1) and phosphorylates calmodulin kinase II (CaMKII), which then regulates sodium hydrogen exchanger 3 (NHE3) activity. In this study, we investigated the cellular signaling pathways responsible for Ang II-mediated regulation of NHE1 and NHE3 in Madin-Darby canine kidney (MDCK) cells. The NHE1- and NHE3-dependent pHi recovery rates were evaluated by fluorescence microscopy using the fluorescent probe BCECF/AM, messenger RNA was evaluated with the reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR), and protein expression was evaluated by immunoblot. We demonstrated that treatment with Ang II (1pM or 1 nM) for 30 min induced, via the AT1 but not the AT2 receptor, an equal increase in NHE1 and NHE3 activity that was reduced by the specific inhibitors HOE 694 and S3226, respectively. Ang II (1 nM) did not change the total expression of NHE1, NHE3 or calmodulin, but it induced CaMKII, cRaf-1, Erk1/2 and p90(RSK) phosphorylation. The stimulatory effects of Ang II (1 nM) on NHE1 or NHE3 activity or protein abundance was reduced by ophiobolin-A (CaM inhibitor), KN93 (CaMKII inhibitor) or PD98059 (Mek inhibitor). These results indicate that after 30 min, Ang II treatment may activate G protein-dependent pathways, including the AT1/PLC/Ca(2+)/CaM pathway, which induces CaMKII phosphorylation to stimulate NHE3 and induces cRaf-1/Mek/Erk1/2/p90(RSK) activity to stimulate NHE1

Influence of the dopaminergic system, CREB, and transcription factor-κB on cocaine neurotoxicity

Cocaine is a widely used drug and its abuse is associated with physical, psychiatric and social problems. Abnormalities in newborns have been demonstrated to be due to the toxic effects of cocaine during fetal development. The mechanism by which cocaine causes neurological damage is complex and involves interactions of the drug with several neurotransmitter systems, such as the increase of extracellular levels of dopamine and free radicals, and modulation of transcription factors. The aim of this review was to evaluate the importance of the dopaminergic system and the participation of inflammatory signaling in cocaine neurotoxicity. Our study showed that cocaine activates the transcription factors NF-κB and CREB, which regulate genes involved in cellular death. GBR 12909 (an inhibitor of dopamine reuptake), lidocaine (a local anesthetic), and dopamine did not activate NF-κB in the same way as cocaine. However, the attenuation of NF-κB activity after the pretreatment of the cells with SCH 23390, a D1 receptor antagonist, suggests that the activation of NF-κB by cocaine is, at least partially, due to activation of D1 receptors. NF-κB seems to have a protective role in these cells because its inhibition increased cellular death caused by cocaine. The increase in BDNF (brain-derived neurotrophic factor) mRNA can also be related to the protective role of both CREB and NF-κB transcription factors. An understanding of the mechanisms by which cocaine induces cell death in the brain will contribute to the development of new therapies for drug abusers, which can help to slow down the progress of degenerative processes.

Leptin receptor 170 kDa (OB-R170) protein expression is reduced in obese human skeletal muscle: a potential mechanism of leptin resistance

[EN] To examine whether obesity-associated leptin resistance could be due to down-regulation of leptin receptors (OB-Rs) and/or up-regulation of suppressor of cytokine signalling 3 (SOCS3) and protein tyrosine phosphatase 1B (PTP1B) in skeletal muscle, which blunt janus kinase 2-dependent leptin signalling and signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) phosphorylation and reduce AMP-activated protein kinase (AMPK) and acetyl-coenzyme A carboxylase (ACC) phosphorylation. Deltoid and vastus lateralis muscle biopsies were obtained from 20 men: 10 non-obese control subjects (mean +/- s.d. age, 31 +/- 5 years; height, 184 +/- 9 cm; weight, 91 +/- 13 kg; and percentage body fat, 24.8 +/- 5.8%) and 10 obese (age, 30 +/- 7 years; height, 184 +/- 8 cm; weight, 115 +/- 8 kg; and percentage body fat, 34.9 +/- 5.1%). Skeletal muscle OB-R170 (OB-R long isoform) protein expression was 28 and 25% lower (both P < 0.05) in arm and leg muscles, respectively, of obese men compared with control subjects. In normal-weight subjects, SOCS3 protein expression, and STAT3, AMPKalpha and ACCbeta phosphorylation, were similar in the deltoid and vastus lateralis muscles. In obese subjects, the deltoid muscle had a greater amount of leptin receptors than the vastus lateralis, whilst SOCS3 protein expression was increased and basal STAT3, AMPKalpha and ACCbeta phosphorylation levels were reduced in the vastus lateralis compared with the deltoid muscle (all P < 0.05). In summary, skeletal muscle leptin receptors and leptin signalling are reduced in obesity, particularly in the leg muscles.

Interazioni tra le glicoproteine D, B, H ed L critiche per la fusione indotta dal virus Herpes simplex

Four glycoproteins (gD, gB, gH, and gL) are required for herpes simplex virus (HSV) entry into the cell and for cell-cell fusion in transfected cells. gD serves as the receptor-binding glycoprotein and as the trigger of fusion; the other three glycoproteins execute fusion between the viral envelope and the plasma or endocytic membranes. Little is known on the interaction of gD with gB, gH, and gL. Here, the interactions between herpes simplex virus gD and its nectin1 receptor or between gD, gB, and gH were analyzed by complementation of the N and C portions of split enhanced green fluorescent protein (EGFP) fused to the glycoproteins. Split EGFP complementation was detected between proteins designated gDN + gHC, gDN + gBC, and gHN + gBC + wtgD, both in cells transfected with two or tree glycoproteins and in cells transfected with the four glycoproteins, commited to form syncytia. The in situ assay provides evidence that gD interacts with gH and gB independently one of the other. We further document the interaction between gH and gB. To elucidate which portions of the glycoproteins interact with each other we generated mutants of gD and gB. gD triggers fusion through a specialised domain, named pro-fusion domain (PFD), located C-terminally in the ectodomain. Here, we show that PFD is made of subdomains 1 and 2 (amino acids 260–285 and 285–310) and that each one partially contributed to herpes simplex virus infectivity. Chimeric gB molecules composed of HSV and human herpesvirus 8 (HHV8) sequences failed to reach the cell surface and to complement a gB defective virus. By means of pull down experiments we analyzed the interactions of HSV-HHV8 gB chimeras with gH or gD fused to the strep-tag. The gB sequence between aa residues 219-360 was identified as putative region of interaction with gH or critical to the interaction.

Untersuchungen über Wechselwirkungen zwischen Proteinen der Leber und dem großen Hüllprotein des Hepatitis-B-Virus

Zusammenfassung:Im Infektionszyklus des Hepatitis-B-Virus spielt das große L-Hüllprotein mit seiner einzigartigen PräS1-Domäne eine zentrale Rolle. Es vermittelt die Bindung und Aufnahme in die Leberzelle, die Verpackung der Nukleokapside in die Virushülle, die Regulation der cccDNA-Amplifikation und eine transkriptionelle Aktivierung in der Wirtszelle. Zur Erfüllung seiner vielfältigen Aufgaben benötigt das L-Protein Unterstützung durch Wirtzellfaktoren, von denen einige im Rahmen dieser Untersuchung durch Verwendung von PräS1-Konstrukten als Fängerproteine im Hefe-Zwei-Hybrid-System identifiziert wurden. Mehrere Klone, die im Hefe-Zwei-Hybrid-Test mit dem C-terminalen PräS1-Fängerprotein (Aminosäure 44-108) isoliert worden waren, enthielten Teile der cDNA von gamma2-Adaptin, einem mutmaßlichen Mitglied der Clathrin-Adaptor-Proteine. Diese sind für intrazelluläre Membrantransportprozesse mittels clathrinumhüllter Vesikel verantwortlich. Unter den interagierenden Klonen, die mit dem N-terminalen Konstrukt des L-Proteins (Aminosäure 1-70) isoliert worden waren, befand sich überproportional häufig eine cDNA, die der schweren Kette H4 der Inter-Alpha-Trypsin-Inhibitor-Familie homolog war. H4 besitzt vermutlich bei der 'Akute-Phase-Reaktion', die Entzündungen folgt, und bei der Stabilisierung der extrazellulären Matrix physiologische Bedeutung. Weitere Klone kodierten für die Serinprotease C1r. Diese ist Bestandteil des C1-Komplex, der ersten Komponente des klassischen Komplementsystems. Die Spezifität der Bindung zwischen den positiven Klonen und der PräS1-Domäne wurde in weiteren biochemischen Interaktionstests bestätigt, sodaß H4, C1r und gamma2-Adaptin als Wirtszellfaktoren in der Physiologie des Hepatitis-B-Virus wahrscheinlich eine Rolle spielen.Abstract:Little is known about host cell factors necessary for hepatitis B virus assembly and infectivity. Central to virogenesis is the large L envelope protein that mediates hepatocyte receptor binding, envelopment of viral capsids, regulation of supercoiled DNA amplification and transcriptional transactivation. To assess its multiple functions and host-protein assistance involved, we here initiated a yeast two-hybrid screen using the L-specific preS1 domain as bait to screen a human liver cDNA library for L-interacting proteins. One of the most prominent cDNAs interacting with aminoacid sequence 44-108 of L-protein encodes for gamma2-adaptin, a novel clathrin adaptor-related protein responsible for protein sorting and trafficking. Among the clones interacting with the N-terminal construct of L-protein (aminoacid sequence 1-70), a frequently isolated cDNA corresponds to the gene for inter-alpha-trypsin family heavy chain H4, likely to be involved in acute inflammatory phase response and stabilization of extracellular matrices. Some other interacting clones were found to carry the cDNA for the serine protease C1r, a subunit of the C1 complex which initiates the classical complement cascade. The specificity of the interaction between the positive clones and the preS1 domain was further confirmed in independent biochemical experiments. Taken together, the results suggest a role for H4, C1r and gamma2-adaptin as host-cell factors in L-mediated process of viral biogenesis and/or pathogenesis.

Molecular analysis of Sigma-1 receptor modulation of the dopamine transporter

Sigma (σ) receptors are well established as a non-opioid, non-phencyclidine, and haloperidol-sensitive receptor family with its own binding profile and a characteristic distribution in the central nervous system (CNS) as well as in endocrine, immune, and some peripheral tissues. Two σ receptors subtypes, termed σ1 and σ2, have been pharmacologically characterized, but, to date, only the σ1 has also been cloned. Activation of σ1 receptors alter several neurotransmitter systems and dopamine (DA) neurotrasmission has been often shown to constitute an important target of σ receptors in different experimental models; however the exact role of σ1 receptor in dopaminergic neurotransmission remains unclear. The DA transporter (DAT) modulates the spatial and temporal aspects of dopaminergic synaptic transmission and interprer the primary mechanism by wich dopaminergic neurons terminate the signal transmission. For this reason present studies have been focused in understanding whether, in cell models, the human subtype of σ1 (hσ1) receptor is able to directly modulate the human DA transporter (hDAT). In the first part of this thesis, HEK-293 and SH-SY5Y cells were permanently transfected with the hσ1 receptor. Subsequently, they were transfected with another plasmid for transiently expressing the hDAT. The hDAT activity was estimated using the described [3H]DA uptake assay and the effects of σ ligands were evaluated by measuring the uptaken [3H]DA after treating the cells with known σ agonists and antagonists. Results illustrated in this thesis demonstrate that activation of overexpressed hσ1 receptors by (+)-pentazocine, the σ1 agonist prototype, determines an increase of 40% of the extracellular [3H]DA uptake, in comparison to non-treated controls and the σ1 antagonists BD-1047 and NE-100 prevent the positive effect of (+)-pentazocine on DA reuptake DA is likely to be considered a neurotoxic molecule. In fact, when levels of intracellular DA abnormally invrease, vescicles can’t sequester the DA which is metabolized by MAO (A and B) and COMT with consequent overproduction of oxygen reactive species and toxic catabolites. Stress induced by these molecules leads cells to death. Thus, for the second part of this thesis, experiments have been performed in order to investigate functional alterations caused by the (+)-pentazocine-mediated increase of DA uptake; particularly it has been investigated if the increase of intracellular [DA] could affect cells viability. Results obtained from this study demonstrate that (+)-pentazocine alone increases DA cell toxicity in a concentration-dependent manner only in cells co-expressing hσ1 and hDAT and σ1 antagonists are able to revert the (+)-pentazocine-induced increase of cell susceptibility to DA toxicity. In the last part of this thesis, the functional cross-talking between hσ1 receptor and hDAT has been further investigated using confocal microscopy. From the acquired data it could be suggested that, following exposure to (+)-pentazocine, the hσ1 receptors massively translocate towards the plasma membrane and colocalize with the hDATs. However, any physical interaction between the two proteins remains to be proved. In conclusion, the presented study shows for the first time that, in cell models, hσ1 receptors directly modulate the hDAT activity. Facilitation of DA uptake induced by (+)-pentazocine is reflected on the increased cell susceptibility to DA toxicity; these effects are prevented by σ1 selective antagonists. Since numerous compounds, including several drugs of abuse, bind to σ1 receptors and activating them could facilitate the damage of dopaminergic neurons, the reported protective effect showed by σ1 antagonists would represent the pharmacological basis to test these compounds in experimental models of dopaminergic neurodegenerative diseases (i.e. Parkinson’s Disease).

Regulation der Zeaxanthin- und der Diatoxanthin-Epoxidase in Chlorophyll a/b- und Fucoxanthin-Chlorophyll a/c-haltigen Pflanzen

In der vorliegenden Arbeit wird der Vx-Zyklus und der Ddx-Zyklus unterschiedlicher Pflanzen hinsichtlich ihrer Regulation untersucht. Es konnte an Hand von in vivo Messungen gezeigt werden, dass bei zwei Kieselalgen unterschiedlicher Ordnung (Pennales bzw. Centrales) und einer Haptophyte mit Ddx-Zyklus die Dtx-Epoxidase delta-pH-reguliert ist. Im Gegensatz dazu steht die nicht-regulierte Zx-Epoxidase des Vx-Zyklus einer Raphidophyceae, einer Grünalge und einer aquatischen Höheren Pflanze. Es konnte gezeigt werden, dass der Grund für diese unterschiedliche Regulation der beiden Epoxidasen die verschiedenen Quench-Eigenschaften der Pigmente Dtx bzw. Zx ist. Durch parallele Messungen des NPQ und des De-Epoxidierungsgrads wurde deutlich, dass Zx zum Aufbau eines Quenching direkt den im Licht aufgebauten delta-pH benötigt, während Dtx alleine ausreichend ist, um ein Quenching zu verursachen. Bei diesen in vivo Messungen wurde außerdem deutlich, dass die Aktivitäten der untersuchten Epoxidasen große Unterschiede aufweisen. Diese sind abhängig von der entsprechenden Pigmentierung des jeweiligen Lichtsammelsystems, stehen also in Zusammenhang mit den Carotinoidbiosynthesen. Es konnte gezeigt werden, dass bei allen untersuchten Organismen, die eine Xanthophyll-dominierte Antenne mit Fx als Massenpigment enthielten, die Umsatzraten der Epoxidase sehr hoch waren, im Gegensatz zu Chl-dominierten Antennen. Nach diesen Erkenntnissen wurde die Dtx-Epoxidase weiter untersucht und so erstmalig durch Western-Blotting identifiziert. Es ergaben sich, allerdings erst nach zusätzlicher Proteinstabilisierung, zwei Signale, eins bei 60 kDa, das andere bei 57 kDa. Hierbei ist nach wie vor unklar, warum das Antiserum zwei Signale lieferte und ob es sich dabei um Isoformen, um anderweitige Modifizierungen, oder um eine Kreuzreaktion handelt. Auch der Mechanismus der delta-pH-Regulation der Dtx-Epoxidase konnte trotz in vivo und in vitro durchgeführter Studien nicht endgültig geklärt werden. Allerdings konnten verschiedene Mechanismen, wie z.B. eine direkte pH-Abhängigkeit des Enzyms, eine Regulation durch Reduktion und Oxidation oder durch Phosphorylierung und Dephosphorylierung, auf Grund der Daten falsifiziert werden. Es konnte schließlich die Regulation mit Hilfe eines transmembranen Rezeptors als das einzige, mit allen Daten konsistente Regulationsmodell vorgeschlagen werden.

Funktionsanalyse von Gamma2-Adaptin: ein zellulärer Adaptor der Hepatitis-B-Virus-Morphogenese

Im Replikationszyklus umhüllter Viren entstehen neue Viruspartikel durch die Knospung an Membranen der Wirtszelle. An diesem Prozess sind verschiedene zelluläre Faktoren und Mechanismen beteiligt, speziell die ESCRT-Proteinkomplexe, welche die Vesikelbildung an den MVBs steuern. Auch bei HBV ist davon auszugehen, dass Komponenten der Wirtszelle an der Umhüllung und Freisetzung der Virionen beteiligt sind, allerdings sind diese noch weitgehend unbekannt. Ziel dieser Arbeit war es daher, die zellulären Faktoren genauer zu charakterisieren und ihre Funktion bei der Virusumhüllung aufzuklären. Den Ausgangspunkt für die hier durchgeführten Untersuchungen bildeten vorangegangene Arbeiten, in denen die spezifische Interaktion des L-Hüllproteins von HBV mit g2-Adaptin nachgewiesen werden konnte. Diese ist für die Morphogenese von HBV essentiell, allerdings ist die zelluläre ebenso wie die virusspezifische Funktion von g2-Adaptin bislang unbekannt. Im Rahmen dieser Arbeit sollte daher untersucht werden, wo und wie g2-Adaptin in der Zelle funktionell ist, um daraus Rückschlüsse auf die Vorgänge bei der Morphogenese von HBV ziehen zu können. Die Grundlage für die Charakterisierung von g2-Adaptin bildete seine Ähnlichkeit zu zellulären Clathrin-Adaptorproteinen. So konnte hier gezeigt werden, dass auch g2-Adaptin ein Clathrin-Bindungsmotiv besitzt, welches eine Interaktion mit Clathrin ermöglicht. Außerdem konnte ein Ubiquitin-Interaktions-Motiv (UIM) identifiziert werden, das die Bindung an ubiquitinierte Proteine vermittelt. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass g2-Adaptin zu einer Gruppe monomerer Adaptorproteine zählen könnte, welche als Ubiquitin-Rezeptoren in der Zelle funktionell sind. Die folgenden Analysen zeigten eine weitere Gemeinsamkeit, da auch g2-Adaptin selbst durch Ubiquitin modifiziert wird, wobei die Ubiquitinierung von einem intakten UIM abhängt. Dieser als Coupled Monoubiquitination bezeichnete Prozess wird hierbei durch die Ubiquitin-Ligase Nedd4 vermittelt, die direkt mit g2-Adaptin interagiert. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass die C2-Domäne von Nedd4 ebenfalls mit Ubiquitin modifiziert ist, wodurch der Kontakt zum UIM von g2-Adaptin erfolgt. Die meisten der bislang bekannten Ubiquitin-bindenden Adaptorproteine, spielen bei der Vesikelentstehung an verschiedenen zellulären Membranen eine Rolle, wo sie an der Sortierung der vorwiegend ubiquitinierten Membranproteine beteiligt sind und zelluläre Komponenten rekrutieren, welche die Vesikelabschnürung vermitteln. Die Adaptorproteine sind dabei meist mit der jeweiligen Membran assoziiert, was auch für g2-Adaptin nachgewiesen werden konnte. Diese Membranbindung wird durch den N-terminalen Proteinbereich von g2-Adaptin vermittelt und erfolgt unabhängig von den Ubiquitin-bindenden Eigenschaften und von Nedd4. Allerdings scheint die Ubiquitin-Modifikation von g2-Adaptin ausschließlich in membrangebundener Form zu erfolgen. An welchen Membranen g2-Adaptin lokalisiert ist, wurde in Immunfluoreszenzstudien untersucht, wobei eine enge Assoziation von g2-Adaptin mit späten Endosomen bzw. MVBs zu beobachten war. Bei weiteren Analysen konnte auch ein funktioneller Einfluss auf die Vesikelentstehung an den MVBs nachgewiesen werden, da durch die Depletion von g2-Adaptin stark vergrößerte, defekte MVBs induziert wurden. Dies deutet darauf hin, dass g2-Adaptin als Ubiquitin-Rezeptor an diesen Prozessen beteiligt sein könnte. Ebenso wie andere Adaptorproteine könnte es hier an die Cargo-Proteine binden, diese durch den Kontakt zu Clathrin lokal konzentrieren und die Vesikelabschnürung durch die Rekrutierung der MVB-Maschinerie vermitteln. Möglicherweise stellt g2-Adaptin hierbei den bislang nicht identifizierten Adaptor dar, der die Verbindung zwischen Nedd4 und der MVB-Kaskade herstellt. Eine ähnliche Funktion für g2-Adaptin ist auch bei der Morphogenese von HBV denkbar. Aufgrund der durchgeführten Lokalisationsstudien ist anzunehmen, dass die Umhüllung der HBV-Partikel direkt an den MVBs erfolgt. Vermutlich bindet g2-Adaptin hier an das L-Hüllprotein, wobei es durch die Rekrutierung von Clathrin zu einer lokalen Anreicherung der Hüllproteine kommt. g2-Adaptin interagiert zudem in UIM-abhängiger Weise mit dem Nukleokapsid, wobei der Kontakt direkt erfolgen könnte oder durch die Ubiquitin-Ligase Nedd4 vermittelt wird, welche über eine Late-Domäne ebenfalls mit dem Nukleokapsid verbunden ist. Anscheinend gelangt das Nukleokapsid durch den Einfluss von g2-Adaptin und Nedd4 zum Ort der Virusmorphogenese, wo die eigentliche Umhüllung und die Abschnürung der Viruspartikel erfolgen. Vermutlich sind auch hier Komponenten der MVB-Maschinerie beteiligt, die womöglich durch g2-Adaptin rekrutiert werden.

Synthesis and evaluation of 18-F-radiopharmaceuticals within the serotonergic receptor system for molecular imaging

Molecular imaging technologies as Positron Emission Tomography (PET) are playing a key role in drug discovery, development and delivery due to the possibility to quantify e.g. the binding potential in vivo, non-invasively and repetitively. In this context, it provides a significant advance in the understanding of many CNS disorders and conditions. The serotonergic receptor system is involved in a number of important physiological processes and diseases such as depression, schizophrenia, Alzheimer’s disease, sleep or sexual behaviour. Especially, the 5-HT2A and the 5-HT1A receptor subtypes are in the focus of fundamental and clinical research due to the fact that many psychotic drugs interact with these neuronal transmembrane receptors. This work describes the successful development, as well as in vitro and in vivo evaluation of 5-HT2A and 5-HT1A selective antagonistic PET-radiotracers. The major achievements obtained in this thesis are: 1. the development and in vitro evaluation of several 5-HT2A antagonistic compounds, namely MH.MZ (Ki = 9.0 nM), (R)-MH.MZ (Ki = 0.72 nM) and MA-1 (Ki = 3.0 nM). 2. the 18F-labeling procedure of these compounds and their optimization, whereby radiochemical yields > 35 % in high specific activities (> 15 GBq/µmol) could be observed. Synthesis time inclusive secondary synthon synthesis, the radioactive labeling procedure, separation and final formulation took no longer than 120 min and provided the tracer in high radiochemical purity. 3. the in vivo µPET evaluation of [18F]MH.MZ and (R)-[18F]MH.MZ resulting in promising imaging agents of the 5-HT2A receptor status; from which (R)-[18F]MH.MZ seems to be the most promising ligand. 4. the determination of the influence of P-gp on the brain biodistribution of [18F]MH.MZ showing a strong P-gp dependency but no regional alteration. 5. the four-step radiosynthesis and evaluation of [18F]MDL 100907 resulting in another high affine tracer, which is, however, limited due to its low radiochemical yield. 6. the development and evaluation of 3 novel possible 5-HT2A imaging agents combining structural elements of altanserin, MDL 100907 and SR 46349B demonstrating different binding modes of these compounds. 7. the development, the labeling and in vitro evaluation of the novel 5-HT1A antagonistic tracer [18F]AH1.MZ (Ki = 4.2 nM).

Charakterisierung zellulärer Interaktionspartner des großen Hüllproteins des Hepatitis-B-Virus

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand das große L-Hüllprotein (L) des Hepatitis B - Virus. L bildet eine ungewöhnliche duale Topologie in der ER-Membran aus, welche auch im reifen Viruspartikel erhalten bleibt. In einem partiellen, posttranslationalen Reifungsprozess wird die sogenannte PräS-Region von der zytosolischen Seite der Membran aus in das ER-Lumen transloziert. Aufgrund seiner dualen Topologie und der damit verbundenen Multifunktionalität übernimmt L eine Schlüsselfunktion im viralen Lebenszyklus. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit lag deshalb darin, neue zelluläre Interaktionspartner des L-Hüllproteins zu identifizieren. Ihre Analyse sollte helfen, das Zusammenspiel des Virus mit der Wirtszelle besser zu verstehen. Hierfür wurde das Split - Ubiquitin Hefe - Zwei - Hybrid System eingesetzt, das die Interaktionsanalyse von Membranproteinen und Membran-assoziierten Proteinen ermöglicht. Zwei der neu identifizierten Interaktionspartner, der v-SNARE Bet1 und Sec24A, die Cargo-bindende Untereinheit des CoPII-vermittelten vesikulären Transports, wurden weitergehend im humanen Zellkultursystem untersucht. Sowohl für Bet1 als auch für Sec24A konnte die Interaktion mit dem L-Hüllprotein bestätigt und der Bindungsbereich eingegrenzt werden. Die Depletion des endogenen Bet1 reduzierte die Freisetzung L-haltiger, nicht aber S-haltiger subviraler Partikel (SVP) deutlich. Im Gegensatz zu Bet1 interagierte Sec24A auch mit dem mittleren M- und kleinen S-Hüllprotein von HBV. Die Inhibition des CoPII-vermittelten vesikulären Transportweges durch kombinierte Depletion der vier Sec24 Isoformen blockierte die Freisetzung sowohl L- als auch S-haltiger SVP. Dies bedeutet, dass die HBV - Hüllproteine das ER CoPII-vermittelt verlassen, wobei sie aktiv Kontakt zur Cargo-bindenden Untereinheit Sec24A aufnehmen. Der effiziente Export der Hüllproteine aus dem ER ist für die Virusmorphogenese und somit für den HBV - Lebenszyklus essentiell. rnEin weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit basierte auf der Interaktion des L-Hüllproteins mit dem ER-luminalen Chaperon BiP. In der vorliegenden Arbeit wurde überprüft, ob BiP, ähnlich wie das zytosolische Chaperon Hsc70, an der Ausbildung der dualen Topologie des L-Hüllproteins beteiligt ist. Hierfür wurde BiP durch die ektopische Expression seiner Ko-Chaperone BAP und ERdj4 in seiner Substrat-bindenen Kapazität manipuliert. ERdj4, ein Mitglied der Hsp40 - Proteinfamilie, stimuliert die ATPase-Aktivität von BiP, was die Substratbindung stabilisiert. Der Nukleotid - Austauschfaktor BAP hingegen vermittelt die Auflösung des BiP - Substrat - Komplexes. Die Auswirkung der veränderten in vivo-Aktivität von BiP auf die posttranslationale PräS-Translokation wurde mit Proteaseschutz - Versuchen untersucht. Die ektopische Expression des positiven als auch des negativen Regulators von BiP resultierte in einer drastischen Reduktion der posttranslationalen PräS-Translokation. Ein vergleichbarer Effekt wurde nach Manipulation des BiP ATPase - Zyklus durch Depletion der zellulären ATP - Konzentration beobachtet. Dies spricht dafür, dass das ER-luminale Chaperon BiP, zusammen mit Hsc70, eine zentrale Rolle in der Ausbildung der dualen Topologie des L-Hüllproteins spielt. rnZwei weitere Proteine, Sec62 und Sec63, die sich für die posttranslationale Translokation in der Hefe als essentiell erwiesen haben, wurden in die Analyse der dualen Topologie des L-Hüllproteins einbezogen. Interessanterweise konnte eine rein luminale Ausrichtung der PräS-Region nach kombinierter Depletion des endogenen Sec62 und Sec63 beobachtet werden. Dies deutet an, dass sowohl Sec62 als auch Sec63 an der Ausbildung der dualen Topologie des L-Hüllproteins beteiligt sind. In Analogie zur Posttranslokation der Hefe könnte Sec62 als Translokon-assoziierter Rezeptor für Substrate der Posttranslokation, und damit der PräS-Region, dienen. Sec63 könnte mit seiner J-Domäne BiP zum Translokon rekrutieren und daraufhin dessen Substrat-bindende Aktivität stimulieren. BiP würde dann, einer molekularen Ratsche gleich, die PräS-Region durch wiederholtes Binden und Freisetzen aktiv in das ER-Lumen hereinziehen, bis eine stabile duale Topologie des L-Hüllproteins ausgebildet ist. Die Bedeutung von Sec62 und Sec63 für den HBV - Lebenszyklus wird dadurch untermauert, dass sowohl die ektopische Expression als auch die Depletion des endogenen Sec63 die Freisetzung L-haltiger SVP deutlich reduziert. rn