Charakterisierung der biologischen Funktion der Plasmodium falciparum Calcium-abhängigen Proteinkinase 1

Im Rahmen dieser Arbeit wurden biologische Funktionen einer Proteinkinase des Erregers der Malaria tropica, genauer der „Plasmodium falciparum calcium dependent protein kinase 1“ (PfCDPK1), in parasitären Blutstadien untersucht.rnUm Einblicke in die Funktion der Kinase, die sie in den extrazellulären Kompartimenten des Parasiten übernimmt, zu gewinnen, wurden sechs Proteine untersucht, die dasselbe Translokationsignal wie PfCDPK1 besitzen. Es konnte gezeigt werden, dass fünf der untersuchten Proteine mit der PfCDPK1 im Bereich der parasitophoren Vakuole sowie des tubovesikulären Systems co-lokalisiert sind. Deletionsmutanten, denen das Translokationssignal fehlte, sowie ein Peptid, das lediglich aus diesem bestand, bestätigten, dass die Translokation in die extrazellulären Kompartimente von keinen weiteren Faktoren, außer dem Signalmotiv abhängt. Mit PfCAP und PfRKIP konnten zwei Regulatoren der PfCDPK1 identifiziert werden. PfARM, Pfrab_5b sowie PfGAP45 sind Substrate der PfCDPK1. Mit Hilfe von massenspektrometrischen Messungen wurde der Phosphorylierungsstatus der untersuchten Proteine durch die PfCDPK1 sowie der Autophosphorylierungsstatus der Kinase bestimmt, um Rückschlüsse auf regulatorische Prozesse ziehen zu können.rnDie Phosphorylierung von PfGAP45 durch die PfCDPK1 steht vermutlich mit dem Invasionsprozess des Parasiten in direktem Zusammenhang, da gezeigt wurde, dass eine Hemmung der Kinase mit PP1 einen 90%igen Rückgang an neu infizierten Erythrozyten zur Folge hatte.rnrn

Radiation-induced defects in calcium fluoride and their influence on material properties under 193 nm laser irradiation

Calcium fluoride (CaF2) is one of the key lens materials in deep-ultraviolet microlithography because of its transparency at 193 nm and its nearly perfect optical isotropy. Its physical and chemical properties make it applicable for lens fabrication. The key feature of CaF2 is its extreme laser stability. rnAfter exposing CaF2 to 193 nm laser irradiation at high fluences, a loss in optical performance is observed, which is related to radiation-induced defect structures in the material. The initial rapid damage process is well understood as the formation of radiation-induced point defects, however, after a long irradiation time of up to 2 months, permanent damage of the crystals is observed. Based on experimental results, these permanent radiation-induced defect structures are identified as metallic Ca colloids.rnThe properties of point defects in CaF2 and their stabilization in the crystal bulk are calculated with density functional theory (DFT). Because the stabilization of the point defects and the formation of metallic Ca colloids are diffusion-driven processes, the diffusion coefficients for the vacancy (F center) and the interstitial (H center) in CaF2 are determined with the nudged elastic band method. The optical properties of Ca colloids in CaF2 are obtained from Mie-theory, and their formation energy is determined.rnBased on experimental observations and the theoretical description of radiation-induced point defects and defect structures, a diffusion-based model for laser-induced material damage in CaF2 is proposed, which also includes a mechanism for annealing of laser damage. rn

Development of models and methods to simulate peptide-assisted nucleation and growth of calcium-minerals

In den vergangenen Jahren wurden einige bislang unbekannte Phänomene experimentell beobachtet, wie etwa die Existenz unterschiedlicher Prä-Nukleations-Strukturen. Diese haben zu einem neuen Verständnis von Prozessen, die auf molekularer Ebene während der Nukleation und dem Wachstum von Kristallen auftreten, beigetragen. Die Auswirkungen solcher Prä-Nukleations-Strukturen auf den Prozess der Biomineralisation sind noch nicht hinreichend verstanden. Die Mechanismen, mittels derer biomolekulare Modifikatoren, wie Peptide, mit Prä-Nukleations-Strukturen interagieren und somit den Nukleationsprozess von Mineralen beeinflussen könnten, sind vielfältig. Molekulare Simulationen sind zur Analyse der Formation von Prä-Nukleations-Strukturen in Anwesenheit von Modifikatoren gut geeignet. Die vorliegende Arbeit beschreibt einen Ansatz zur Analyse der Interaktion von Peptiden mit den in Lösung befindlichen Bestandteilen der entstehenden Kristalle mit Hilfe von Molekular-Dynamik Simulationen.rnUm informative Simulationen zu ermöglichen, wurde in einem ersten Schritt die Qualität bestehender Kraftfelder im Hinblick auf die Beschreibung von mit Calciumionen interagierenden Oligoglutamaten in wässrigen Lösungen untersucht. Es zeigte sich, dass große Unstimmigkeiten zwischen etablierten Kraftfeldern bestehen, und dass keines der untersuchten Kraftfelder eine realistische Beschreibung der Ionen-Paarung dieser komplexen Ionen widerspiegelte. Daher wurde eine Strategie zur Optimierung bestehender biomolekularer Kraftfelder in dieser Hinsicht entwickelt. Relativ geringe Veränderungen der auf die Ionen–Peptid van-der-Waals-Wechselwirkungen bezogenen Parameter reichten aus, um ein verlässliches Modell für das untersuchte System zu erzielen. rnDas umfassende Sampling des Phasenraumes der Systeme stellt aufgrund der zahlreichen Freiheitsgrade und der starken Interaktionen zwischen Calciumionen und Glutamat in Lösung eine besondere Herausforderung dar. Daher wurde die Methode der Biasing Potential Replica Exchange Molekular-Dynamik Simulationen im Hinblick auf das Sampling von Oligoglutamaten justiert und es erfolgte die Simulation von Peptiden verschiedener Kettenlängen in Anwesenheit von Calciumionen. Mit Hilfe der Sketch-Map Analyse konnten im Rahmen der Simulationen zahlreiche stabile Ionen-Peptid-Komplexe identifiziert werden, welche die Formation von Prä-Nukleations-Strukturen beeinflussen könnten. Abhängig von der Kettenlänge des Peptids weisen diese Komplexe charakteristische Abstände zwischen den Calciumionen auf. Diese ähneln einigen Abständen zwischen den Calciumionen in jenen Phasen von Calcium-Oxalat Kristallen, die in Anwesenheit von Oligoglutamaten gewachsen sind. Die Analogie der Abstände zwischen Calciumionen in gelösten Ionen-Peptid-Komplexen und in Calcium-Oxalat Kristallen könnte auf die Bedeutung von Ionen-Peptid-Komplexen im Prozess der Nukleation und des Wachstums von Biomineralen hindeuten und stellt einen möglichen Erklärungsansatz für die Fähigkeit von Oligoglutamaten zur Beeinflussung der Phase des sich formierenden Kristalls dar, die experimentell beobachtet wurde.

Einfluss des Calcium-sensitiven Rezeptors auf knochenspezifische Metastasierungsprozesse des Nierenzellkarzinoms

Der Grund für die schlechte Prognose beim Nierenzellkarzinom (NZK) stellt nicht der Primärtumor dar sondern ist vielmehr der häufigen Ausbildung von Fernmetastasen geschuldet. Etwa 30 % aller Patienten mit fortgeschrittenem NZK bilden dabei Metastasen in den Knochen aus. Das Knochenmilieu scheint, aufgrund der hohen Frequenz der knochenspezifischen Metastasierung, einen idealen Wachstumslokus für die Nierenkarzinomzellen dazustellen und rückte in der jüngsten Vergangenheit in den Fokus der Forschung. Dabei konnte der Calcium-sensitive Rezeptor (CaSR), der im gesunden Gewebe die Konzentration der extrazellulären Calcium-Ionen reguliert und besonders in der Niere von Bedeutung ist, mit der Metastasierung in die Knochen in Zusammenhang gebracht werden. Die Knochen stellen im Körper das Organ mit der höchsten Calcium-Konzentration dar. Durch ständigen Knochenmetabolismus werden Calcium-Ionen freigesetzt, welche CaSR-exprimierende Zellen aktivieren können. Aus diesem Grund wurden im Zusammenhang mit dieser Arbeit Nierenkarzinomzellen (786 O) sowie gesunde Nierenzellen (HEK 293) mit dem Gen des CaSR transfiziert und anschließend unter dem Einfluss von Calcium (10 mM – 30 Min.), einem CaSR-Aktivator (Cinacalcet (10 µM – 1 Std.)), sowie einem CaSR-Inhibitor (NPS2143 (10 µM – 1 Std.)) auf Unterschiede im zellulären Verhalten hin untersucht.rnBereits ohne Calcium-Behandlung zeigten die CaSR-transfizierten 786 O-Zellen ein gesteigertes Migrationsverhalten (durchgeführt in einer Boyden Kammer, Fibronektin als Chemotaxin) und ein erhöhtes Adhäsionspotential (zum einen an Kompo¬nenten der EZM (Fibronektin und Kollagen I) und zum anderen an HUVEC). Bei den CaSR-transfizierten HEK 293-Zellen wurde nur die Migration positiv beeinflusst. Nach einer 30-minütigen Behandlung mit Calcium zeigten die CaSR-transfizierten 786 O-Zellen eine starke Zunahme des Adhäsions- und Proli¬ferations-verhaltens, sowie eine verstärkte Migration bei Verwendung von Calcium als Chemotaxin. CaSR-transfizierte HEK 293-Zellen hingegen zeigten keine Migration und nach Calcium-Behandlung nur geringfügige Änderungen in Adhäsion und Proliferation. Konsistent mit diesen Ergebnissen war die Auswertung der intrazellulären Signalwege mit Hilfe von Western Blot-Analysen. In CaSR-expri-mierenden 786 O-Zellen waren die Signalwege AKT, ERK, JNK und p38α nach Calcium-Behandlung deutlich erhöht. In den HEK 293-Zellen kam es zu einer Zunahme der Proteinmenge aktivierter ERK-, JNK-, Paxillin- und SHC-Moleküle. Mit Hilfe einer Kombinationsbehandlung aus NPS2143 und Calcium konnte der Calcium-bedingte Effekt in durchweg allen Untersuchungen wieder bis auf das Kontrollniveau gesenkt werden. Die Verwendung von Cinacalcet und Calcium führte zwar erneut zu deutlichen Steigerungen der zellulären Vorgänge, lag aber immer unter dem Calcium-abhängigen Maximum.rnDurch die Simulation der Vorgänge, die während einer Metastasierung ablaufen, konnte gezeigt werden, dass der CaSR in Nierenkarzinomzellen die Knochen-metastasierung induziert. Sollten sich diese Zusammenhänge in vivo im Mausmodell bestätigen, könnte der CaSR zukünftig als Marker für eine Früherkennung von Knochenmetastasen fungieren. Zudem könnten indivi¬dual¬isierte Therapieansätze entwickelt werden, die knochenmetastasierende Zellen bereits vor Metastasierung effizient bekämpfen können.rn

Development of a fluorescent-based single liposome assay for studying calcium transporter LMCA1

The morphological and functional unit of all the living organisms is the cell. The transmembrane proteins, localized in the plasma membrane of cells, play a key role in the survival of the cells themselves. These proteins perform a variety of different tasks, for example the control of the homeostasis. In order to control the homeostasis, these proteins have to regulate the concentration of chemical elements, like ions, inside and outside the cell. These regulations are fundamental for the survival of the cell and to understand them we need to understand how transmembrane proteins work. Two of the most important categories of transmembrane proteins are ion channels and transporter proteins. The ion channels have been depth studied at the single molecule level since late 1970s with the development of patch-clamp technique. It is not possible to apply this technique to study the transporter proteins so a new technique is under development in order to investigate the behavior of transporter proteins at the single molecule level. This thesis describes the development of a nanoscale single liposome assay for functional studies of transporter proteins based on quantitative fluorescence microscopy in a highly-parallel manner and in real time. The transporter of interest is the prokaryotic transporter Listeria Monocytogenes Ca2+-ATPase1 (LMCA1), a structural analogue of the eukaryotic calcium pumps SERCA and PMCA. This technique will allow the characterization of LMCA1 functionality at the single molecule level. Three systematically characterized fluorescent sensors were tested at the single liposome scale in order to investigate if their properties are suitable to study the function of the transporter of interest. Further studies will be needed in order to characterize the selected calcium sensor and pH sensor both implemented together in single liposomes and in presence of the reconstituted protein LMCA1.

VEGF incorporated into calcium phosphate ceramics promotes vascularisation and bone formation in vivo

Bone formation and osseointegration of biomaterials are dependent on angiogenesis and vascularization. Angiogenic growth factors such as vascular endothelial growth factor (VEGF) were shown to promote biomaterial vascularization and enhance bone formation. However, high local concentrations of VEGF induce the formation of malformed, nonfunctional vessels. We hypothesized that a continuous delivery of low concentrations of VEGF from calcium phosphate ceramics may increase the efficacy of VEGF administration.VEGF was co-precipitated onto biphasic calcium phosphate (BCP) ceramics to achieve a sustained release of the growth factor. The co-precipitation efficacy and the release kinetics of the protein were investigated in vitro. For in vivo investigations BCP ceramics were implanted into critical size cranial defects in Balb/c mice. Angiogenesis and microvascularization were investigated over 28 days by means of intravital microscopy. The formation of new bone was determined histomorphometrically. Co-precipitation reduced the burst release of VEGF. Furthermore, a sustained, cell-mediated release of low concentrations of VEGF from BCP ceramics was mediated by resorbing osteoclasts. In vivo, sustained delivery of VEGF achieved by protein co-precipitation promoted biomaterial vascularization, osseointegration, and bone formation. Short-term release of VEGF following superficial adsorption resulted in a temporally restricted promotion of angiogenesis and did not enhance bone formation. The release kinetics of VEGF appears to be an important factor in the promotion of biomaterial vascularization and bone formation. Sustained release of VEGF increased the efficacy of VEGF delivery demonstrating that a prolonged bioavailability of low concentrations of VEGF is beneficial for bone regeneration.