Analysis of the Organic Hydroperoxide Response of Chromobacterium violaceum Reveals That OhrR Is a Cys-Based Redox Sensor Regulated by Thioredoxin

Organic hydroperoxides are oxidants generated during bacterial-host interactions. Here, we demonstrate that the peroxidase OhrA and its negative regulator OhrR comprise a major pathway for sensing and detoxifying organic hydroperoxides in the opportunistic pathogen Chromobacterium violaceum. Initially, we found that an ohrA mutant was hypersensitive to organic hydroperoxides and that it displayed a low efficiency for decomposing these molecules. Expression of ohrA and ohrR was specifically induced by organic hydroperoxides. These genes were expressed as monocistronic transcripts and also as a bicistronic ohrR-ohrA mRNA, generating the abundantly detected ohrA mRNA and the barely detected ohrR transcript. The bicistronic transcript appears to be processed. OhrR repressed both the ohrA and ohrR genes by binding directly to inverted repeat sequences within their promoters in a redox-dependent manner. Site-directed mutagenesis of each of the four OhrR cysteine residues indicated that the conserved Cys21 is critical to organic hydroperoxide sensing, whereas Cys126 is required for disulfide bond formation. Taken together, these phenotypic, genetic and biochemical data indicate that the response of C. violaceum to organic hydroperoxides is mediated by OhrA and OhrR. Finally, we demonstrated that oxidized OhrR, inactivated by intermolecular disulfide bond formation, is specifically regenerated via thiol-disulfide exchange by thioredoxin (but not other thiol reducing agents such as glutaredoxin, glutathione and lipoamide), providing a physiological reducing system for this thiol-based redox switch.

Untersuchungen zur Struktur und Funktion des Vibrio cholerae Cytolysins

Vibrio cholerae Cytolysin (VCC) gehört zur Gruppe der Exotoxine und bildet auf Membranen heptamere transmembrane Poren. VCC wird als protoxin mit einem Molekulargewicht von 79 kDa sezerniert und benötigt die proteolytische Spaltung der N-terminalen Pro-Region um Poren in der Membran zu bilden. Diese Spaltung erfolgt sowohl in Lösung, als auch nach der Bindung an Membranen, aber nur aktiviertes VCC oligomererisiert in eine lytische Pore. Die Kristallstruktur von VCC zeigt, dass das Monomer vier verschiedenen strukturellen Domänen enthält; die cytolytische Domäne, mit der Pre-Stem-Sequenz, der Pro-Region und den beiden C-terminalen Domänen β-Trefoil und β-Prism. Die porenbildende β-Barrel wird aus je einer Pre-Stem Domäne jedes der einzelnen sieben Untereinheiten gebildet. Da sich die porenbildende Region im Monomer zwischen den Domänen β-Prism und β-Trefoil befindet, sind konformationelle Änderungen des Toxins notwendig, um die Insertion dieser Region in die Membran zu ermöglichen. In dieser Arbeit wurde unter anderem der Mechanismus der Porenbildung durch die Konstruktion von Disulfid-Derivaten untersucht. Die Bildung von Disulfidbrücken wurde verwendet, um die porenbildende Region entweder mit der β-Trefoil oder β-Prism Domäne zu verknüpfen. Unter nicht-reduzierenden Bedingungen bindet das Toxin an Membranen und oligomerisiert zu SDS-labilen Oligomeren. Nach der Reduktion der künstlichen Disulfidbrücke erlangen die gebildeten Oligomere SDS-Stabilität und permeabilisieren die Membran. Durch die Zugabe steigender Konzentrationen des VCC-Derivats zu aktivem Toxin, wird die SDS-Stabilität der gebildeten Oligomere stark reduziert. Die Insertion des aktiven Toxins in die Membran wird allerdings nicht verhindert und daher Poren mit reduziertem funktionellen Durchmesser gebildet. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass die Bildung einer Prä-Pore vor der Insertion des Toxins in die Membran erfolgt und zeigt zum ersten Mal ein solches Zwischenstadium für ein β-porenbildendes Toxin, das von Gram-negativen Organismen produziert wird. Diese Ergebnisse deuten auf einen archetypischen Mechanismus der Porenbildung hin. Zusätzlich wurde die Funktion der beiden C-terminalen Domänen untersucht, und daher verschiedene Deletions- und Substitutionsmutanten konstruiert. Die β-Trefoil Domäne ist nicht essentiell für die Bindung des Toxins an Membranen, ist aber für die korrekte Faltung des Toxins notwendig. Die C-terminale β-Prism Domäne vermittelt die Bindung des Toxins an Membranen über Zuckerrezeptoren.

Cellular localization and mechanism of amyloid precursor protein (APP) homodimer formation in an oxidizing environment

The amyloid precursor protein (APP) is a type I transmembrane glycoprotein, which resembles a cell surface receptor, comprising a large ectodomain, a single spanning transmembrane part and a short C-terminal, cytoplasmic domain. It belongs to a conserved gene family, with over 17 members, including also the two mammalian APP homologues proteins APLP1 and APLP2 („amyloid precursor like proteins“). APP is encoded by 19 exons, of which exons 7, 8, and 15 can be alternatively spliced to produce three major protein isoforms APP770, APP751 and APP695, reflecting the number of amino acids. The neuronal APP695 is the only isoform that lacks a Kunitz Protease Inhibitor (KPI) domain in its extracellular portion whereas the two larger, peripheral APP isoforms, contain the 57-amino-acid KPI insert. rnRecently, research effort has suggested that APP metabolism and function is thought to be influenced by homodimerization and that the oligomerization state of APP could also play a role in the pathology of Alzheimer's disease (AD), by regulating its processing and amyloid beta production. Several independent studies have shown that APP can form homodimers within the cell, driven by motifs present in the extracellular domain, as well as in the juxtamembrane (JM) and transmembrane (TM) regions of the molecule, whereby the exact molecular mechanism and the origin of dimer formation remains elusive. Therefore, we focused in our study on the actual subcellular origin of APP homodimerization within the cell, an underlying mechanism, and a possible impact on dimerization properties of its homologue APLP1. Furthermore, we analyzed homodimerization of various APP isoforms, in particular APP695, APP751 and APP770, which differ in the presence of a Kunitz-type protease inhibitor domain (KPI) in the extracellular region. In order to assess the cellular origin of dimerization under different cellular conditions, we established a mammalian cell culture model-system in CHO-K1 (chinese hamster ovary) cells, stably overexpressing human APP, harboring dilysine based organelle sorting motifs at the very C-terminus [KKAA-Endoplasmic Reticulum (ER); KKFF-Golgi]. In this study we show that APP exists as disulfide-bound, SDS-stable dimers, when it was retained in the ER, unlike when it progressed further to the cis-Golgi, due to the KKFF ER exit determinant. These stable APP complexes were isolated from cells, and analyzed by SDS–polyacrylamide gel electrophoresis under non-reducing conditions, whereas strong denaturing and reducing conditions completely converted those dimers to monomers. Our findings suggested that APP homodimer formation starts early in the secretory pathway and that the unique oxidizing environment of the ER likely promotes intermolecular disulfide bond formation between APP molecules. We particularly visualized APP dimerization employing a variety of biochemical experiments and investigated the origin of its generation by using a Bimolecular Fluorescence Complementation (BiFC) approach with split GFP-APP chimeras. Moreover, using N-terminal deletion constructs, we demonstrate that intermolecular disulfide linkage between cysteine residues, exclusively located in the extracellular E1 domain, represents another mechanism of how an APP sub-fraction can dimerize within the cell. Additionally, mutational studies revealed that cysteines at positions 98 and 105, embedded in the conserved loop region within the E1 domain, are critical for interchain disulfide bond formation. Using a pharmacological treatment approach, we show that once generated in the oxidative environment of the ER, APP dimers remain stably associated during transport, reaching the plasma membrane. In addition, we demonstrate that APP isoforms, encompassing the KPI domain, exhibit a strongly reduced ability to form cis-directed dimers in the ER, whereas trans-directed cell aggregation of Drosophila Schneider (S2)-cells was isoform independent, mediating cell-cell contacts. Thus, suggesting that steric properties of KPI-APP might be the cause for weaker cis-interaction in the ER, compared to APP695. Finally, we provide evidence that APP/APLP1 heterointeractions are likewise initiated in the ER, suggesting a similar mechanism for heterodimerization. Therefore, dynamic alterations of APP between monomeric, homodimeric, and possibly heterodimeric status could at least partially explain some of the variety in the physiological functions of APP.rn

Ortsgerichtete Modifikationen von Somatostatin-14 zur Darstellung von maßgeschneiderten Biohybridkonjugaten

Die hochspezifische Funktionalisierung von Proteinen und Peptiden kann durch milde reduktive Spaltung der lösungsmittelzugänglichen Disulfidbrücken und anschließende Rückverbrückung durch den Einbau sogenannter Linkermoleküle über einen konsekutiven Eliminierungs-Additionsprozess verwirklicht werden. Die Erweiterung des Linkerportfolios stellte in erster Instanz die Entwicklung von verschieden funktionalisierten Systemen dar, welche als hochflexible Kernbausteine für den Aufbau komplexer Architekturen dienten. Das Verständnis für die Reaktivität und Reversibilität der Thioladdition an die Mono-und Bissulfone in Abhängigkeit des Substituenten in p-Position konnte durch Variation von Parametern wie Lösungsmittel oder pH-Wert für intelligentes Produktdesign genutzt werden. Heterokonjugate zweier Biomoleküle mit ungepaartem Cystein wurden durch die Kombination von Maleinimid- und Bissulfonchemie innerhalb eines Linkermoleküls realisiert. Polymer-Peptid-Konjugate wurden einerseits über die grafting to Methode durch Modifizierung von Somatostatin mit PEGbissulfonen und anderseits durch grafting from unter Verwendung eines zuvor synthetisierten ATRP-Makroinitiators dargestellt. Multivalente Konjugate konnten durch die Synthese von hochsymmetrischen Tetra- sowie Hexasulfonen und anschließende Umsetzung mit Somatostatin erhalten werden. Die Polyinterkalatorpolymere, die durch lebende radikalische Polymerisation eines Bissulfidmonomers generiert wurden, wurden mit Glutathion umgesetzt. Durch die Interkalation von p-Ethinyl sowie p-Iodmonosulfon in die Disulfidbrücke von Somatostatin konnte erfolgreich gezeigt werden, dass die Rückverbrückung unter Rezyklisierung gelang. Die biologische Integrität wurde durch die Modifikation nicht beeinträchtigt und die erfolgreiche Aufnahme wurde nur bei den rezeptorpositiven Zellen (CAPAN-2) beobachtet. Das artifizielle Iodderivat im Vergleich zum nativen Somatostatin ein erhöhtes Potential zur Apoptoseinduktion. Die Somatostatinderivate präsentierten sich somit als attraktive potentielle Therapeutika.

In-vitro-Studien zur Generierung bi-spezifischer T-Zellen durch T-Zell-Antigenrezeptor-Gentransfer

In der Dissertation konnte gezeigt werden, dass von einem pp65(495-503)-spezifischen Doppelketten-TZR (2-Plasmide-retrovirales Vektorsystem) ein Potential der Fremdinteraktion mit spezifitätsfremden humanen gp100(280-288)- und AML(14-22)- sowie murinen MDM2(81-88)- und p53(264-272)-Tumorantigen-spezifischen TZRa und -b Ketten besteht. Folglich zeichneten sich essentielle Optimierungsverfahren ab. Für die Generierung von bi-spezifischen T-Zellenrnwurden zwei Strategien etabliert. Das erste Verfahren hatte zur Voraussetzung, dass der Donor und Rezipient einen HCMV-seropositiven Status aufweisen würden. Es ließen sich pp65(495-503)-spezifische T-Zellen aus HCMV-seropositiven Blutproben expandieren, die eine effiziente pp65(495-503)-Spezifität charakterisierte. In der zweiten Strategie wurde die Situation behandelt, dass der Donor HCMV-seronegativ und der Rezipient HCMV-seropositiv wären.rnHierbei wurde das Verfahren der simultanen Kotransfektion mit einem pp65(495-503)- und p53(264-272)-spezifischen TZR etabliert. Bei der Verwendung beider Strategien konnten effizient p53(264-272)-Tumorantigen und pp65(495-503)-bi-spezifische T-Zellen generiert werden.rnHinzukommend konnte der Einfluss einer möglichen Kompetition um CD3 undrnFehlinteraktion mit den endogenen TZRa und -b Ketten dargelegt werden. Des Weiteren erfolgten Interaktionsanalysen mit einem p53(264-272)-Tumorantigen-spezifischen Einzelketten-TZR. Die Analysen erfolgten sowohl unter nicht-kompetitiven Bedingungen in der humanen Jurkat-76 Zelllinie, welche den genomischen Verlust von endogenen TZRa und -b Ketten kennzeichnete, als auch unter kompetitiven Bedingungen in den humanen T-Zellen, die endogene TZRa und -b Ketten besitzen. In dem 2-Plasmide-retroviralen Vektorsystem konnte gezeigt werden, dass unter nicht-kompetitiven Bedingungen der p53(264-272)- Tumorantigen-spezifische Einzelketten-TZR in erhöhtem Maße mit der murinen MDM2(81-88)-sowie homologen p53(264-272)- als auch mit den humanen TZRa Ketten der Spezifitäten AML(14-22), gp100(280-288) und pp65(495-503) (Vb3-Analyse) interagieren konnte. Interessanterweise zeigte sich im 1-Plasmid-retroviralen Vektorsystem ein geringeres Interaktionsverhalten mit murinen und vor allem humanen TZRa Ketten. Das Interaktionspotential schien TZR Subfamilien-abhängig zu sein. Essentiell war es, dass der p53(264-272)-Tumorantigenspezifische Einzelketten-TZR eines 1-Plasmid-retroviralen Vektorsystems, trotz minimaler Beeinflussungen, stets an der Zelloberfläche exprimiert werden konnte und sich kein vollständiger Verlust der p53(264-272)-Spezifität verzeichnen ließ. Aufgrund der Verdrängung der Va-Domäne des p53(264-272)-Tumorantigen-spezifischen Einzelketten-TZR durch eine Volllängen-TZRa-Kette, erfolgte die Optimierung der Va/Vb-Interaktion des Einzelketten-TZR (1-Plasmid-retrovirales Vektorsystem). Es konnte ein neuartiger p53(264-272)-Tumorantigenspezifischer Einzelketten-TZR mit einer zusätzlichen künstlichen Disulfidbrücke zwischen Va(Q51C) und dem C-terminalen Ende des SL7-Linkers (G16C) generiert werden. Dieser Einzelketten-TZR zeigte im Vergleich zum Ausgangskonstrukt eine stärkere Va/Vb-Bindung, ausgelesen an einer effizienten Reduktion der residuellen Kettenfehlinteraktion, sowie eine effiziente TZR-Expression und Funktionalität, als auch eine vergleichbare TZR-MHC:Peptid-Affinität. Zusammenfassend konnten pp65(465-503)- und p53(264-272)-Tumorantigen-bi-spezifische T-Zellen generiert werden, die eine effiziente duale Spezifität aufwiesen. Auch konnte detailliert das Interaktionsverhalten eines p53(264-272)-Tumorantigen-spezifischen Einzelketten-TZR mit spezifitätsfremden TZRa Ketten dargelegt sowie eine Optimierung eines p53(264-272)-Tumorantigen-spezifischen Einzelketten-TZR (1-Plasmid-retrovirales Vektorsystem) erzielt werden.

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

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

Synthese von antiinflammatorischen Makrolactonen des Oxacyclododecindion-Typs und deren biologische Evaluierung

Die Sekundärmetabolite 4-Dechlor-14-deoxyoxacyclododecindion, 14-Deoxyoxacyclo-dodecindion und Oxacyclododecindion zeigten in ersten in vitro-Studien eine Hemmung des TGF-β- sowie des JAK-STAT-Signaltransduktionsweges im nanomolaren Konzentrationsbereich. Sie stellen potentielle Leitstrukturen für die Entwicklung neuer Therapeutika zur Behandlung chronisch entzündlicher und/oder fibrotischer Erkrankungen dar. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines totalsynthetischen Zugangs zu diesen Makrolactonen.rnDer erste retrosynthetische Ansatz bestand aus einer Ringschluss-Metathese/Reduktions/Eliminierungs-Sequenz. Während das gesättigte Makrolacton-grundgerüst dargestellt werden konnte, schlug die Einführung der Doppelbindung fehl. Es wurde nur ein exo-Methylen-Derivat erhalten. Eine Syntheseroute über eine carbonylierende Kreuzkupplung oder über eine intramolekulare Hydroacylierung verliefen erfolglos. Versuche zum Aufbau des α,β-ungesättigten Enons über das β,γ-ungesättigte Enon in einer Ringschluss-Metathese/Isomerisierungs-Sequenz führten stattdessen zur Bildung eines γ,δ-ungesättigten Ketons und eines 12-Oxo-10,11-dehydrocurvularin-Derivates.rnEine intramolekulare Friedel-Crafts-Acylierung ermöglichte den Ringschluss, sodass die beiden Naturstoffe 4-Dechlor-14-deoxyoxacyclododecindion sowie 14-Deoxyoxa-cyclododecindion synthetisiert werden konnten. Durch die Totalsynthese konnte zudem die bisher unbekannte relative Konfiguration der zwei Stereozentren aufgeklärt werden. Die während dieser Arbeit erhaltenen Derivate ermöglichten es, Struktur-Wirkungs-Beziehungen für diese Makrolactone aufzustellen.rnIn weiteren biologischen Studien von Kooperationspartnern wurde die hohe Wirksamkeit im nanomolaren Konzentrationsbereich bestätigt. Eine erste in vivo-Studie zur Behandlung von systemischem Lupus erythematodes mit 14-Deoxyoxacyclododecindion deutet auf eine verminderte Entzündungsreaktion und positive Effekte auf chronische Nierenschäden hin.rn

GH mutant (R77C) in a pedigree presenting with the delay of growth and pubertal development: structural analysis of the mutant and evaluation of the biological activity

A heterozygous missense mutation in the GH-1 gene converting codon 77 from arginine (R) to cysteine (C), which was previously reported to have some GH antagonistic effect, was identified in a Syrian family. The index patient, a boy, was referred for assessment of his short stature (-2.5 SDS) at the age of 6 years. His mother and grandfather were also carrying the same mutation, but did not differ in adult height from the other unaffected family members. Hormonal examination in all affected subjects revealed increased basal GH, low IGF-I concentrations, and subnormal IGF-I response in generation test leading to the diagnosis of partial GH insensitivity. However, GH receptor gene (GHR) sequencing demonstrated no abnormalities. As other family members carrying the GH-R77C form showed similar alterations at the hormonal level, but presented with normal final height, no GH therapy was given to the boy, but he was followed through his pubertal development which was delayed. At the age of 20 years he reached his final height, which was normal within his parental target height. Functional characterization of the GH-R77C, assessed through activation of Jak2/Stat5 pathway, revealed no differences in the bioactivity between wild-type-GH (wt-GH) and GH-R77C. Detailed structural analysis indicated that the structure of GH-R77C, in terms of disulfide bond formation, is almost identical to that of the wt-GH despite the introduced mutation (Cys77). Previous studies from our group demonstrated a reduced capability of GH-R77C to induce GHR/GH-binding protein (GHBP) gene transcription rate when compared with wt-GH. Therefore, reduced GHR/GHBP expression might well be the possible cause for the partial GH insensitivity found in our patients. In addition, this group of patients deserve further attention because they could represent a distinct clinical entity underlining that an altered GH peptide may also have a direct impact on GHR/GHBP gene expression causing partial GH insensitivity. This might be responsible for the delay of growth and pubertal development. Finally, we clearly demonstrate that GH-R77C is not invariably associated with short stature, but that great care needs to be taken in ascribing growth failure to various heterozygous mutations affecting the GH-IGF axis and that careful functional studies are mandatory.

Metal-ion-dependent biological properties of a chelator-derived somatostatin analogue for tumour targeting

Somatostatin-based radioligands have been shown to have sensitive imaging properties for neuroendocrine tumours and their metastases. The potential of [(55)Co(dotatoc)] (dotatoc =4,7,10-tricarboxymethyl-1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1-ylacetyl-D-Phe-(Cys-Tyr-D-Trp-Lys-Thr-Cys)-threoninol (disulfide bond)) as a new radiopharmaceutical agent for PET has been evaluated. (57)Co was used as a surrogate of the positron emitter (55)Co and the pharmacokinetics of [(57)Co(dotatoc)] were investigated by using two nude mouse models. The somatostatin receptor subtype (sst1-sst5) affinity profile of [(nat)Co(dotatoc)] on membranes transfected with human somatostatin receptor subtypes was assessed by using autoradiographic methods. These studies revealed that [(57)Co(dotatoc)] is an sst2-specific radiopeptide which presents the highest affinity ever found for the sst2 receptor subtype. The rate of internalisation into the AR4-2J cell line also was the highest found for any somatostatin-based radiopeptide. Biodistribution studies, performed in nude mice bearing an AR4-2J tumour or a transfected HEK-sst2 cell-based tumour, showed high and specific uptake in the tumour and in other sst-receptor-expressing tissues, which reflects the high receptor binding affinity and the high rate of internalisation. The pharmacologic differences between [(57)Co(dotatoc)] and [(67)Ga(dotatoc)] are discussed in terms of the structural parameters found for the chelate models [Co(II)(dota)](2-) and [Ga(III)(dota)](-) whose X-ray structures have been determined. Both chelates show six-fold coordination in pseudo-octahedral arrangements.

Microtubule dynamics and glutathione metabolism in phagocytizing human polymorphonuclear leukocytes.

Glutathione oxidants such as tertiary butyl hydroperoxide were shown previously to prevent microtubule assembly and cause breakdown of preassembled cytoplasmic microtubules in human polymorphonuclear leukocytes. The objectives of the present study were to determine the temporal relationship between the attachment and ingestion of phagocytic particles and the assembly of microtubules, and simultaneously to quantify the levels of reduced glutathione and products of its oxidation as potential physiological regulators of assembly. Polymorphonuclear leukocytes from human peripheral blood were induced to phagocytize opsonized zymosan at 30 degrees C. Microtubule assembly was assessed in the electron microscope by direct counts of microtubules in thin sections through centrioles. Acid extracts were assayed for reduced glutathione (GSH) and oxidized glutathione (GSSG), by the sensitive enzymatic procedure of Tietze. Washed protein pellets were assayed for free sulfhydryl groups and for mixed protein disulfides with glutathione (protein-SSG) after borohydride splitting of the disulfide bond. Resting cells have few assembled microtubules. Phagocytosis induces a cycle of rapid assembly followed by disassembly. Assembly is initiated by particle contact and is maximal by 3 min of phagocytosis. Disassembly after 5-9 min of phagocytosis is preceded by a slow rise in GSSG and coincides with a rapid rise in protein-SSG. Protein-SSG also increases under conditions in which butyl hydroperoxide inhibits the assembly of microtubules that normally follows binding of concanavalin A to leukocyte cell surface receptors. No evidence for direct involvement of GSH in the induction of assembly was obtained. The formation of protein-SSG, however, emerges as a possible regulatory mechanism for the inhibition of microtubule assembly and induction of their disassembly.

Crystal structure of a multifunctional 2-Cys peroxiredoxin heme-binding protein 23 kDa/proliferation-associated gene product

Heme-binding protein 23 kDa (HBP23), a rat isoform of human proliferation-associated gene product (PAG), is a member of the peroxiredoxin family of peroxidases, having two conserved cysteine residues. Recent biochemical studies have shown that HBP23/PAG is an oxidative stress-induced and proliferation-coupled multifunctional protein that exhibits specific bindings to c-Abl protein tyrosine kinase and heme, as well as a peroxidase activity. A 2.6-Å resolution crystal structure of rat HBP23 in oxidized form revealed an unusual dimer structure in which the active residue Cys-52 forms a disulfide bond with conserved Cys-173 from another subunit by C-terminal tail swapping. The active site is largely hydrophobic with partially exposed Cys-173, suggesting a reduction mechanism of oxidized HBP23 by thioredoxin. Thus, the unusual cysteine disulfide bond is involved in peroxidation catalysis by using thioredoxin as the source of reducing equivalents. The structure also provides a clue to possible interaction surfaces for c-Abl and heme. Several significant structural differences have been found from a 1-Cys peroxiredoxin, ORF6, which lacks the C-terminal conserved cysteine corresponding to Cys-173 of HBP23.

Structure and function in rhodopsin: Packing of the helices in the transmembrane domain and folding to a tertiary structure in the intradiscal domain are coupled*

A previous study of the retinitis pigmentosa mutation L125R and two designed mutations at this site, L125A and L125F, showed that these mutations cause partial or total misfolding of the opsins expressed in COS cells from the corresponding mutant opsin genes. We now report on expression and characterization of the opsins from the following retinitis pigmentosa mutants in the transmembrane domain of rhodopsin that correspond to six of the seven helices: G51A and G51V (helix A), G89D (helix B), A164V (helix D), H211P (helix E), P267L and P267R (helix F), and T297R (helix G). All the mutations caused partial misfolding of the opsins as observed by the UV/visible absorption characteristics and by separation of the expressed opsins into fractions that bound 11-cis-retinal to form the corresponding mutant rhodopsins and those that did not bind 11-cis-retinal. Further, all the mutant rhodopsins prepared from the above mutants, except for G51A, showed strikingly abnormal bleaching behavior with abnormal metarhodopsin II photointermediates. The results show that retinitis pigmentosa mutations in every one of the transmembrane helices can cause misfolding of the opsin. Therefore, on the basis of these and previous results, we conclude that defects in the packing of the transmembrane helices resulting from these mutations are relayed to the intradiscal domain, where they cause misfolding of the opsin by inducing the formation of a disulfide bond other than the native Cys-110—Cys-187 disulfide bond. Thus, there is coupling between packing of the helices in the transmembrane domain and folding to a tertiary structure in the intradiscal domain.

Design and characterization of α-melanotropin peptide analogs cyclized through rhenium and technetium metal coordination

α-Melanocyte stimulating hormone (α-MSH) analogs, cyclized through site-specific rhenium (Re) and technetium (Tc) metal coordination, were structurally characterized and analyzed for their abilities to bind α-MSH receptors present on melanoma cells and in tumor-bearing mice. Results from receptor-binding assays conducted with B16 F1 murine melanoma cells indicated that receptor-binding affinity was reduced to approximately 1% of its original levels after Re incorporation into the cyclic Cys4,10, d-Phe7–α-MSH4-13 analog. Structural analysis of the Re–peptide complex showed that the disulfide bond of the original peptide was replaced by thiolate–metal–thiolate cyclization. A comparison of the metal-bound and metal-free structures indicated that metal complexation dramatically altered the structure of the receptor-binding core sequence. Redesign of the metal binding site resulted in a second-generation Re–peptide complex (ReCCMSH) that displayed a receptor-binding affinity of 2.9 nM, 25-fold higher than the initial Re–α-MSH analog. Characterization of the second-generation Re–peptide complex indicated that the peptide was still cyclized through Re coordination, but the structure of the receptor-binding sequence was no longer constrained. The corresponding 99mTc- and 188ReCCMSH complexes were synthesized and shown to be stable in phosphate-buffered saline and to challenges from diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA) and free cysteine. In vivo, the 99mTcCCMSH complex exhibited significant tumor uptake and retention and was effective in imaging melanoma in a murine-tumor model system. Cyclization of α-MSH analogs via 99mTc and 188Re yields chemically stable and biologically active molecules with potential melanoma-imaging and therapeutic properties.

Novel dimeric interface and electrostatic recognition in bacterial Cu,Zn superoxide dismutase

Eukaryotic Cu,Zn superoxide dismutases (CuZnSODs) are antioxidant enzymes remarkable for their unusually stable β-barrel fold and dimer assembly, diffusion-limited catalysis, and electrostatic guidance of their free radical substrate. Point mutations of CuZnSOD cause the fatal human neurodegenerative disease amyotrophic lateral sclerosis. We determined and analyzed the first crystallographic structure (to our knowledge) for CuZnSOD from a prokaryote, Photobacterium leiognathi, a luminescent symbiont of Leiognathid fish. This structure, exemplifying prokaryotic CuZnSODs, shares the active-site ligand geometry and the topology of the Greek key β-barrel common to the eukaryotic CuZnSODs. However, the β-barrel elements recruited to form the dimer interface, the strategy used to forge the channel for electrostatic recognition of superoxide radical, and the connectivity of the intrasubunit disulfide bond in P. leiognathi CuZnSOD are discrete and strikingly dissimilar from those highly conserved in eukaryotic CuZnSODs. This new CuZnSOD structure broadens our understanding of structural features necessary and sufficient for CuZnSOD activity, highlights a hitherto unrecognized adaptability of the Greek key β-barrel building block in evolution, and reveals that prokaryotic and eukaryotic enzymes diverged from one primordial CuZnSOD and then converged to distinct dimeric enzymes with electrostatic substrate guidance.

Localization of the N terminus of hepatitis B virus capsid protein by peptide-based difference mapping from cryoelectron microscopy

Recently, cryoelectron microscopy of isolated macromolecular complexes has advanced to resolutions below 10 Å, enabling direct visualization of α-helical secondary structure. To help correlate such density maps with the amino acid sequences of the component proteins, we advocate peptide-based difference mapping, i.e., insertion of peptides, ≈10 residues long, at targeted points in the sequence and visualization of these peptides as bulk labels in cryoelectron microscopy-derived difference maps. As proof of principle, we have appended an extraneous octapeptide at the N terminus of hepatitis B virus capsid protein and determined its location on the capsid surface by difference imaging at 11 Å resolution. Hepatitis B virus capsids are icosahedral particles, ≈300 Å in diameter, made up of T-shaped dimers (subunit Mr, 16–21 kDa, depending on construct). The stems of the Ts protrude outward as spikes, whereas the crosspieces pack to form the contiguous shell. The two N termini per dimer reside on either side of the spike-stem, at the level at which it enters the shell. This location is consistent with formation of the known intramolecular disulfide bond between the cysteines at positions 61 and −7 (in the residual propeptide) in the “e-antigen” form of the capsid protein and has implications for why this clinically important antigen remains unassembled in vivo.