Lsa30, a novel adhesin of Leptospira interrogans binds human plasminogen and the complement regulator C4bp

Pathogenic Leptospira is the etiological agent of leptospirosis, a life-threatening disease that affects populations worldwide. Surface proteins have the potential to promote several activities, including adhesion. This work aimed to study the leptospiral coding sequence (CDS) LIC11087, genome annotated as hypothetical outer membrane protein. The LIC11087 gene was cloned and expressed in Escherichia coil BL21 (DE3) strain by using the expression vector pAE. The recombinant protein tagged with N-terminal 6XHis was purified by metal-charged chromatography and characterized by circular dichroism (CD) spectroscopy. The recombinant protein has the ability to mediate attachment to the extracellular matrix (ECM) components, laminin and plasma fibronectin, and was named Lsa30 (Leptospiral surface adhesin of 30 kDa). Lsa30 binds to laminin and to plasma fibronectin in a dose-dependent and saturable manner, with dissociation equilibrium constants (K-D) of 292 +/- 24 nM and 157 +/- 35 nM, respectively. Moreover, the Lsa30 is a plasminogen (PLC) receptor, capable of generating plasmin, in the presence of activator. This protein may interfere with the complement cascade by interacting with C4bp regulator. The Lsa30 is probably a new surface protein of Leptospira as revealed by immunofluorescence assays with living organisms and the reactivity with antibodies present in serum samples of experimentally infected hamsters. Thus, Lsa30 is a novel versatile protein that may play a role in mediating adhesion and may help pathogenic Leptospira to overcome tissue barriers and to escape the immune system. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Charakterisierung der Vinorin-Synthase aus Rauvolfia serpentina durch Reinigung, Expression, Mutation und Kristallisation

ABSTRACTDie vorliegende Arbeit befasste sich mit der Reinigung,heterologen Expression, Charakterisierung, molekularenAnalyse, Mutation und Kristallisation des EnzymsVinorin-Synthase. Das Enzym spielt eine wichtige Rolle inder Ajmalin-Biosynthese, da es in einerAcetyl-CoA-abhängigen Reaktion die Umwandlung desSarpagan-Alkaloids 16-epi-Vellosimin zu Vinorin unterBildung des Ajmalan-Grundgerüstes katalysiert. Nach der Reinigung der Vinorin-Synthase ausHybrid-Zellkulturen von Rauvolfia serpentina/Rhazya strictamit den fünf chromatographischen TrennmethodenAnionenaustauschchromatographie an SOURCE 30Q, HydrophobeInteraktionen Chromatographie an SOURCE 15PHE,Chromatographie an MacroPrep Ceramic Hydroxyapatit,Anionenaustauschchromatographie an Mono Q undGrößenausschlußchromatographie an Superdex 75 konnte dieVinorin-Synthase aus 2 kg Zellkulturgewebe 991fachangereichert werden.Das nach der Reinigung angefertigte SDS-Gel ermöglichte eineklare Zuordnung der Protein-Bande als Vinorin-Synthase.Der Verdau der Enzymbande mit der Endoproteinase LysC unddie darauffolgende Sequenzierung der Spaltpeptide führte zuvier Peptidsequenzen. Der Datenbankvergleich (SwissProt)zeigte keinerlei Homologien zu Sequenzen bekannterPflanzenenzyme. Mit degenerierten Primern, abgeleitet voneinem der erhaltenen Peptidfragmente und einer konserviertenRegion bekannter Acetyltransferasen gelang es, ein erstescDNA-Fragment der Vinorin-Synthase zu amplifizieren. Mit derMethode der RACE-PCR wurde die Nukleoidsequenzvervollständigt, was zu einem cDNA-Vollängenklon mit einerGröße von 1263 bp führte, der für ein Protein mit 421Aminosäuren (46 kDa) codiert.Das Vinorin-Synthase-Gen wurde in den pQE2-Expressionsvektorligiert, der für einen N-terminalen 6-fachen His-tagcodiert. Anschließend wurde sie erstmals erfolgreich in E.coli im mg-Maßstab exprimiert und bis zur Homogenitätgereinigt. Durch die erfolgreiche Überexpression konnte dieVinorin-Synthase eingehend charakterisiert werden. DerKM-Wert für das Substrat Gardneral wurde mit 20 µM, bzw.41.2 µM bestimmt und Vmax betrug 1 pkat, bzw. 1.71 pkat.Nach erfolgreicher Abspaltung des His-tags wurden diekinetischen Parameter erneut bestimmt (KM- Wert 7.5 µM, bzw.27.52 µM, Vmax 0.7 pkat, bzw. 1.21 pkat). Das Co-Substratzeigt einen KM- Wert von 60.5 µM (Vmax 0.6 pkat). DieVinorin-Synthase besitzt ein Temperatur-Optimum von 35 °Cund ein pH-Optimum bei 7.8.Homologievergleiche mit anderen Enzymen zeigten, dass dieVinorin-Synthase zu einer noch kleinen Familie von bisher 10Acetyltransferasen gehört. Alle Enzyme der Familie haben einHxxxD und ein DFGWG-Motiv zu 100 % konserviert. Basierendauf diesen Homologievergleichen und Inhibitorstudien wurden11 in dieser Proteinfamilie konservierte Aminosäuren gegenAlanin ausgetauscht, um so die Aminosäuren einer in derLiteratur postulierten katalytischen Triade(Ser/Cys-His-Asp) zu identifizieren.Die Mutation aller vorhandenen konservierten Serine undCysteine resultierte in keiner Mutante, die zumvollständigen Aktivitätsverlust des Enzyms führte. Nur dieMutationen H160A und D164A resultierten in einemvollständigen Aktivitätsverlust des Enzyms. Dieses Ergebniswiderlegt die Theorie einer katalytischen Triade und zeigte,dass die Aminosäuren H160A und D164A exklusiv an derkatalytischen Reaktion beteiligt sind.Zur Überprüfung dieser Ergebnisse und zur vollständigenAufklärung des Reaktionsmechanismus wurde dieVinorin-Synthase kristallisiert. Die bis jetzt erhaltenenKristalle (Kristallgröße in µm x: 150, y: 200, z: 200)gehören der Raumgruppe P212121 (orthorhombisch primitiv) anund beugen bis 3.3 Å. Da es bis jetzt keine Kristallstruktureines zur Vinorin-Synthase homologen Proteins gibt, konntedie Struktur noch nicht vollständig aufgeklärt werden. ZurLösung des Phasenproblems wird mit der Methode der multiplenanomalen Dispersion (MAD) jetzt versucht, die ersteKristallstruktur in dieser Enzymfamilie aufzuklären.

Etablierung von Expressionsystemen für Gene der Indolalkaloid-Biosynthese unter besonderer Berücksichtigung von Cytochrom P450-Enzymen

Etablierung von Expressionsystemen für Gene der Indolalkaloid-Biosynthese unter besonderer Berücksichtigung von Cytochrom P450-Enzymen In der vorliegenden Arbeit wurden Enzyme aus der Arzneipflanze Rauvolfia serpentina bearbeitet. Es wurde versucht, das an der Biosynthese des Alkaloids Ajmalin beteiligte Cytochrom P450-Enzym Vinorin-Hydroxylase heterolog und funktionell zu exprimieren. Ein zunächst unvollständiger, unbekannter Cytochrom P450-Klon konnte komplettiert und eindeutig mittels heterologer Expression in sf9-Insektenzellen als Cinnamoyl-Hydroxylase identifiziert werden. Die Tauglichkeit des Insektenzellsystems für die Untersuchung der Vinorin-Hydroxylase ist auf Grund der deacetylierenden Wirkung der Insektenzellen auf das Substrat Vinorin nicht gegeben. Im Rahmen des Homology Cloning Projektes konnten mehrere Volllängenklone und diverse Teilsequenzen von neuen Cytochrom P450-Klonen ermittelt werden. Ausserdem wurde durch das unspezifische Binden eines degenerierten Primers ein zusätzlicher Klon gefunden, der der Gruppe der löslichen Reduktasen zugeordnet werden konnte. Diese putative Reduktase wurde auf die Aktivität von mehreren Schlüsselenzymen der Ajmalin-Biosynthese durch heterologe Expression in E.coli und anschliessende HPLC-gestützte Aktivitätstests ohne Erfolg geprüft. Bedingt durch die Untauglichkeit des Insektenzellsystems für die Identifizierung der Vinorin-Hydroxylase, wurde ein neuartiges Modul-gestütztes, pflanzliches Expressionsystem etabliert, um vorhandene P450-Volllängenklone auf Vinorin- Hydroxylaseaktivität testen zu können. Die Funktionalität des Systems konnte durch die heterologe Expression der Polyneuridinaldehyd Esterase bestätigt werden. Trotzdem war es bis jetzt nicht möglich, die Cinnamoyl-Hydroxylase als Kontrollenzym für das pflanzliche System oder aber die gesuchte Vinorin- Hydroxylase in aktiver Form zu exprimieren.

Biochemical analysis of the phosphatase domain of the human soluble epoxide hydrolase (sEH)

Die lösliche Epoxidhydrolase (sEH) gehört zur Familie der Epoxidhydrolase-Enzyme. Die Rolle der sEH besteht klassischerweise in der Detoxifikation, durch Umwandlung potenziell schädlicher Epoxide in deren unschädliche Diol-Form. Hauptsächlich setzt die sEH endogene, der Arachidonsäure verwandte Signalmoleküle, wie beispielsweise die Epoxyeicosatrienoic acid, zu den entsprechenden Diolen um. Daher könnte die sEH als ein Zielenzym in der Therapie von Bluthochdruck und Entzündungen sowie diverser anderer Erkrankungen eingesetzt werden. rnDie sEH ist ein Homodimer, in dem jede Untereinheit aus zwei Domänen aufgebaut ist. Das katalytische Zentrum der Epoxidhydrolaseaktivität befindet sich in der 35 kD großen C-terminalen Domäne. Dieser Bereich der sEH s wurde bereits im Detail untersucht und nahezu alle katalytischen Eigenschaften des Enzyms sowie deren dazugehörige Funktionen sind in Zusammenhang mit dieser Domäne bekannt. Im Gegensatz dazu ist über die 25 kD große N-terminale Domäne wenig bekannt. Die N-terminale Domäne der sEH wird zur Haloacid Dehalogenase (HAD) Superfamilie von Hydrolasen gezählt, jedoch war die Funktion dieses N-terminal Domäne lange ungeklärt. Wir haben in unserer Arbeitsgruppe zum ersten Mal zeigen können, dass die sEH in Säugern ein bifunktionelles Enzym ist, welches zusätzlich zur allgemein bekannten Enzymaktivität im C-terminalen Bereich eine weitere enzymatische Funktion mit Mg2+-abhängiger Phosphataseaktivität in der N-terminalen Domäne aufweist. Aufgrund der Homologie der N-terminalen Domäne mit anderen Enzymen der HAD Familie wird für die Ausübung der Phosphatasefunktion (Dephosphorylierung) eine Reaktion in zwei Schritten angenommen.rnUm den katalytischen Mechanismus der Dephosphorylierung weiter aufzuklären, wurden biochemische Analysen der humanen sEH Phosphatase durch Generierung von Mutationen im aktiven Zentrum mittels ortsspezifischer Mutagenese durchgeführt. Hiermit sollten die an der katalytischen Aktivität beteiligten Aminosäurereste im aktiven Zentrum identifiziert und deren Rolle bei der Dephosphorylierung spezifiziert werden. rnrnAuf Basis der strukturellen und möglichen funktionellen Ähnlichkeiten der sEH und anderen Mitgliedern der HAD Superfamilie wurden Aminosäuren (konservierte und teilweise konservierte Aminosäuren) im aktiven Zentrum der sEH Phosphatase-Domäne als Kandidaten ausgewählt.rnVon den Phosphatase-Domäne bildenden Aminosäuren wurden acht ausgewählt (Asp9 (D9), Asp11 (D11), Thr123 (T123), Asn124 (N124), Lys160 (K160), Asp184 (D184), Asp185 (D185), Asn189 (N189)), die mittels ortsspezifischer Mutagenese durch nicht funktionelle Aminosäuren ausgetauscht werden sollten. Dazu wurde jede der ausgewählten Aminosäuren durch mindestens zwei alternative Aminosäuren ersetzt: entweder durch Alanin oder durch eine Aminosäure ähnlich der im Wildtyp-Enzym. Insgesamt wurden 18 verschiedene rekombinante Klone generiert, die für eine mutante sEH Phosphatase Domäne kodieren, in dem lediglich eine Aminosäure gegenüber dem Wildtyp-Enzym ersetzt wurde. Die 18 Mutanten sowie das Wildtyp (Sequenz der N-terminalen Domäne ohne Mutation) wurden in einem Expressionsvektor in E.coli kloniert und die Nukleotidsequenz durch Restriktionsverdau sowie Sequenzierung bestätigt. Die so generierte N-terminale Domäne der sEH (25kD Untereinheit) wurde dann mittels Metallaffinitätschromatographie erfolgreich aufgereinigt und auf Phosphataseaktivität gegenüber des allgemeinen Substrats 4-Nitophenylphosphat getestet. Diejenigen Mutanten, die Phosphataseaktivität zeigten, wurden anschließend kinetischen Tests unterzogen. Basiered auf den Ergebnissen dieser Untersuchungen wurden kinetische Parameter mittels vier gut etablierter Methoden berechnet und die Ergebnisse mit der „direct linear blot“ Methode interpretiert. rnDie Ergebnisse zeigten, dass die meisten der 18 generierten Mutanten inaktiv waren oder einen Großteil der Enzymaktivität (Vmax) gegenüber dem Wildtyp verloren (WT: Vmax=77.34 nmol-1 mg-1 min). Dieser Verlust an Enzymaktivität ließ sich nicht durch einen Verlust an struktureller Integrität erklären, da der Wildtyp und die mutanten Proteine in der Chromatographie das gleiche Verhalten zeigten. Alle Aminosäureaustausche Asp9 (D9), Lys160 (K160), Asp184 (D184) und Asn189 (N189) führten zum kompletten Verlust der Phosphataseaktivität, was auf deren katalytische Funktion im N-terminalen Bereich der sEH hindeutet. Bei einem Teil der Aminosäureaustausche die für Asp11 (D11), Thr123 (T123), Asn124 (N124) und Asn185 (D185) durchgeführt wurden, kam es, verglichen mit dem Wildtyp, zu einer starken Reduktion der Phosphataseaktivität, die aber dennoch für die einzelnen Proteinmutanten in unterschiedlichem Ausmaß zu messen war (2 -10% and 40% of the WT enzyme activity). Zudem zeigten die Mutanten dieser Gruppe veränderte kinetische Eigenschaften (Vmax allein oder Vmax und Km). Dabei war die kinetische Analyse des Mutanten Asp11  Asn aufgrund der nur bei dieser Mutanten detektierbaren starken Vmax Reduktion (8.1 nmol-1 mg-1 min) und einer signifikanten Reduktion der Km (Asp11: Km=0.54 mM, WT: Km=1.3 mM), von besonderem Interesse und impliziert eine Rolle von Asp11 (D11) im zweiten Schritt der Hydrolyse des katalytischen Zyklus.rnZusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass alle in dieser Arbeit untersuchten Aminosäuren für die Phosphataseaktivität der sEH nötig sind und das aktive Zentrum der sEH Phosphatase im N-terminalen Bereich des Enzyms bilden. Weiterhin tragen diese Ergebnisse zur Aufklärung der potenziellen Rolle der untersuchten Aminosäuren bei und unterstützen die Hypothese, dass die Dephosphorylierungsreaktion in zwei Schritten abläuft. Somit ist ein kombinierter Reaktionsmechanismus, ähnlich denen anderer Enzyme der HAD Familie, für die Ausübung der Dephosphorylierungsfunktion denkbar. Diese Annahme wird gestützt durch die 3D-Struktur der N-terminalen Domäne, den Ergebnissen dieser Arbeit sowie Resultaten weiterer biochemischer Analysen. Der zweistufige Mechanismus der Dephosphorylierung beinhaltet einen nukleophilen Angriff des Substratphosphors durch das Nukleophil Asp9 (D9) des aktiven Zentrums unter Bildung eines Acylphosphat-Enzym-Zwischenprodukts, gefolgt von der anschließenden Freisetzung des dephosphorylierten Substrats. Im zweiten Schritt erfolgt die Hydrolyse des Enzym-Phosphat-Zwischenprodukts unterstützt durch Asp11 (D11), und die Freisetzung der Phosphatgruppe findet statt. Die anderen untersuchten Aminosäuren sind an der Bindung von Mg 2+ und/oder Substrat beteiligt. rnMit Hilfe dieser Arbeit konnte der katalytischen Mechanismus der sEH Phosphatase weiter aufgeklärt werden und wichtige noch zu untersuchende Fragestellungen, wie die physiologische Rolle der sEH Phosphatase, deren endogene physiologische Substrate und der genaue Funktionsmechanismus als bifunktionelles Enzym (die Kommunikation der zwei katalytischen Einheiten des Enzyms) wurden aufgezeigt und diskutiert.rn

Identifizierung, Expression und Charakterisierung des Nanos-verwandten Proteins aus dem marinen Schwamm Suberites domuncula

Im Rahmen dieser Arbeit konnte in dem marinen Schwamm Suberites domuncula ein Gen identifiziert werden, dessen C-terminale konservierte Domäne eine hohe Sequenzähnlichkeit zu den Zinkfingerdomänen der Nanos-Proteine aufweist. Weiter konnte ein N-terminales Sequenzmotiv identifiziert werden, das eine hohe Sequenzidentität zu den konservierten NIM Motiven (CNOT1-interagierendes-Motiv) von Nanos zeigt. Nach der Klonierung der cDNA erfolgte die Expression des als Sd_nrp bezeichneten Proteins in E. coli Bakterien, für dessen 231 Aminosäuren umfassende Polypeptidkette eine theoretische Molekülmasse von 25.8 kDa berechnet wurde. Anschließend gelang ein Nachweis des Proteins mithilfe eines polyklonalen, gegen Sd_nrp gerichteten Antikörpers in drei Gewebetypen, dem Pinacoderm, den Primmorphen (3D-Zellaggregate) und den Gemmulae (Dauerstadien der Schwämme). Dabei konnte die höchste Expression von Sd_nrp in den als totipotent geltenden Stammzellen der Schwämme, den Archaeocyten innerhalb der Gemmulae beobachtet werden. Die Identifizierung der Zellstrukturen, erfolgte dabei aufgrund morphologischer Vergleiche. Speziell die Merkmale der Zellen in den Gemmulae, der große Nukleus, die amöboide Form sowie die granulären Reservesubstanzen, entsprechen den typischen morphologischen Eigenschaften der Archaeocyten, und bestätigen die Interpretation der Ergebnisse. Weiter konnte mit Hilfe des Anti-Sd_nrp Antikörpers das native Protein in Proteinextrakten aus Gewebe adulter Tiere nachgewiesen werden. Die vergleichende Sequenzanalyse von Sd_nrp mit dem Nanos-verwandten Protein der Schwammspezies Ephydatia fluviatilis und die phylogenetische Stammbaum-Analyse mit Nanos-Homologen unterschiedlicher Invertebraten und Vertebraten lässt die Schlussfolgerung zu, dass es sich bei dem hier identifizierten Protein Sd_nrp um ein Nanos-verwandtes Protein handelt. Darüber hinaus konnte anhand eines Homologiemodells bestätigt werden, dass es sich bei der konservierten C-terminalen Domäne des Proteins Sd_nrp um die für Nanos-Proteine spezifische Zinkfingerstruktur mit dem konservierten Sequenzmotiv CCHC handelt. Dieses Ergebnis konnte auch bei einem Vergleich der Zinkfingerdomäne von Sd_nrp mit den Zinkfingerdomänen der Nanos-Homologen unterschiedlicher Invertebraten- und Vertebratenspezies bestätigt werden.

Identification of the signal pathways modulated by expression of p210$\rm\sp{bcr-abl}$ and the inhibition of p210$\rm\sp{bcr-abl}$ transforming activity by polypeptides interacting with p210$\rm\sp{bcr-abl}$ in murine myeloid 32D cells

The Bcr-Abl fusion oncogene which resulted from a balanced reciprocal translocation between chromosome 9 and 22, t(9;22)(q11, q34), encodes a 210 KD elevated tyrosine specific protein kinase that is found in more than 95 percent of chronic myelogenous leukemia patients (CML). Increase of level of phosphorylation of tyrosine is observed on cell cycle regulatory proteins in cells overexpressing the Bcr-Abl oncogene, which activates multiple signaling pathways. In addition, distinct signals are required for transforming susceptible fibroblast and hematopoietic cells, and the minimal signals essential for transforming hematopoietic cells are yet to be defined. In the present study, we first established a tetracycline repressible p210$\rm\sp{bcr-abl}$ expression system in a murine myeloid cell line 32D c13, which depends on IL3 to grow in the presence of tetracycline and proliferate independent of IL3 in the absence of tetracycline. Interestingly, one of these sublines does not form tumors in athymic nude mice suggesting that these cells may not be completely transformed. These cells also exhibit a dose-dependent growth and expression of p210$\rm\sp{bcr-abl}$ at varying concentrations of tetracycline in the culture. However, p210$\rm\sp{bcr-abl}$ rescues IL3 deprivation induced apoptosis in a non-dose dependent fashion. DNA genotoxic damage induced by gamma-irradiation activates c-Abl tyrosine kinase, the cellular homologue of p210$\rm\sp{bcr-abl},$ and leads to activation of p38 MAP kinase in the cells. However, in the presence of p210$\rm\sp{bcr-abl}$ the irradiation failed to activate the p38 MAP kinase as examined by an antibody against phosphorylated p38 MAP kinase. Similarly, an altered tyrosine phosphorylation of the JAK1-STAT1 pathways was identified in cells constitutively overexpressing p210$\rm\sp{bcr-abl}.$ This may provided a molecular mechanism for altered therapeutic response of CML patients to IFN-$\alpha.$^ Bcr-Abl oncoprotein has multiple functional domains which have been identified by the work of others. The Bcr tetramerization domain, which may function to stabilize the association of the Bcr-Abl with actin filaments in p210$\rm\sp{bcr-abl}$ susceptible cells, are essential for transforming both fibroblast and hematopoietic cells. We designed a transcription unit encoding first 160 amino acids polypeptide of Bcr protein to test if this polypeptide can inhibit the transforming activity of the p210$\rm\sp{bcr-abl}$ oncoprotein in the 32D c13 cells. When this vector was transfected transiently along with the p210$\rm\sp{bcr-abl}$ expression vector, it can block the transforming activity of p210$\rm\sp{bcr-abl}.$ On the other hand, the retinoblastoma tumor suppressor protein (Rb), a naturally occurring negative regulator of the c-Abl kinase, the cellular homologue of Bcr-Abl oncoprotein, binds to and inhibits the c-Abl kinase in a cell cycle dependent manner. A polypeptide obtained from the carboxyl terminal end of the retinoblastoma tumor suppressor protein, in which the nuclear localization signal was mutated, was used to inhibit the kinase activity of the p210$\rm\sp{bcr-abl}$ in the cytoplasm. This polypeptide, called Rb MC-box, and its wild type form, Rb C-box, when overexpressed in the 32D cells are mainly localized in the cytoplasm. Cotransfection of a plasmid transcription unit coding for this polypeptide and the gene for the p210$\rm\sp{bcr-abl}$ resulted in reduced plating efficiency of p210$\rm\sp{bcr-abl}$ transfected IL3 independent 32D cells. Together, these results may lead to a molecular approach to therapy of CML and an in vitro assay system to identify new targets to which an inhibitory polypeptide transcription unit may be directed. ^

A novel form of CYP3A from rat brain: cDNA cloning, protein characterization and gene regulation of cytochrome P450 3A9

One full length cDNA clone, designated 3aH15, was isolated from a rat brain cDNA library using a fragment of CYP3A2 cDNA as a probe. 3aH15 encoded a protein composed of 503 amino acid residues. The deduced amino acid sequence of 3aH15 was 92% identical to mouse Cyp3a-13 and had a 68.4% to 76.5% homology with the other reported rat CYP3A sequences. Clone 3aH15 was thus named CYP3A9 by Cytochrome P450 Nomenclature Committee. CYP3A9 seems to the major CYP3A isozyme expressed in rat brain. Sexual dimorphism of the expression of CYP3A9 was shown for the first time in rat brain as well as in rat liver. CYP3A9 appears to be female specific in rat liver based on the standards proposed by Kato and Yamazoe who defined sex specific expression of P450s as being a 10-fold or higher expression level in one sex compared with the other. CYP3A9 gene expression was inducible by estrogen treatment both in male and in female rats. Male rats treated with estrogen had a similar expression level of CYP3A9 mRNA both in the liver and brain. Ovariectomy of adult female rats drastically reduced the mRNA level of CYP3A9 which could be fully restored by estrogen replacement. On the other hand, only a two-fold induction of CYP3A9 expression by dexamethasone was observed in male liver and no significant induction of CYP3A9 mRNA was observed in female liver or in the brains. These results suggest that estrogen may play an important role in the female specific expression of the CYP3A9 gene and that CYP3A9 gene expression is regulated differently from other CYP3A isozymes. ^ P450 3A9 recombinant protein was expressed in E. coli using the pCWOri+ expression vector and the MALLLAVF amino terminal sequence modification. This construct gave a high level of expression (130 nmol P450 3A9/liter culture) and the recombinant protein of the modified P450 3A9 was purified to electrophoretic homogeneity (10.1 nmol P450/mg protein) from solubilized fractions using two chromatographic steps. The purified P450 3A9 protein was active towards the metabolism of many clinically important drugs such as imipramine, erythromycin, benzphetamine, ethylmorphine, chlorzoxazone, cyclosporine, rapamycin, etc. in a reconstituted system containing lipid and rat NADPH-P450 reductase. Although P450 3A9 was active towards the catabolism of testosterone, androstenedione, dehydroepiandrosterone (DHEA) and 17β-estradiol, P450 3A9 preferentially catalyzes the metabolism of progesterone to form four different hydroxylated products. Optimal reconstitution conditions for P450 3A9 activities required a lipid mixture and GSH. The possible mechanisms of the stimulatory effects of GSH on P450 3A9 activities are discussed. Sexually dimorphic expression of P450 3A9 in the brain and its involvement in many neuroactive drugs as well as neurosteroids suggest the possible role of P450 3A9 in some mental disorders and brain functions. ^

Development of colorectal cancer gene therapy

Colorectal cancer is the number two cancer killer in the United States. Although primary colorectal cancer can be resected by surgery, patients often die from metastatic disease. Liver is the most common site of metastasis for colorectal cancer. It is difficult to selectively kill metastatic colon cancer cells without damaging normal liver functions. Thus it becomes a high priority to develop a selective targeting system for the treatment of colorectal cancer liver metastasis. ^ In the current study, a gene therapy strategy that allows a therapeutic gene to selectively destroy metastatic colon cancer cells without affecting normal liver cells is developed. The APC gene is frequently mutated in colorectal cancers. These mutations activate β-catenin responsive promoters. An optimized β-catenin responsive promoter, containing TCF consensus binding sites, was engineered for this study. This TCF promoter was found to express preferentially in APC mutated/β-catenin activated colorectal cancers while maintaining a low expression level in cell lines of liver origin. A recombinant adenoviral vector AdTCF-TK, in which the TCF promoter controls expression of the herpes simplex virus thymidine kinase gene, selectively destroyed colorectal cancer cells in vitro. AdTCF-TK virus and ganciclovir treatment also inhibited the growth of solid tumour derived from the colon cancer cell line DLD-1 in nude mice. In a control experiment, the growth inhibition effect of the same virus was attenuated in a liver cancer cell line. ^ In the present study, a novel method was developed to target therapeutic gene expression to colon cancer cells at reduced liver toxicity to the patients. The same gene therapy design may also be applied to treat tumours carrying mutations in the β-catenin gene, which is a central component of the APC signal transduction pathway. In summary, the principle for a rational design of a cancer specific treatment approach is demonstrated in this study. In the future, mutations in cancer patients will be more easily identified. Using the same principle developed in this study, specific regimen can be designed to treat these patients based on the specific genetic changes found in the tumour. ^

Constitutive expression of interleukin-6 in renal cell carcinoma is modulated by p53

Several studies indicate that interleukin-6 (IL-6) production is elevated in renal cell carcinoma (RCC) cells, and that IL-6 can serve as an autocrine growth factor in this malignancy. Wild type (wt) p53 represses transcription from the IL-6 promoter in an inducible system. The objective of this study was to determine the role of p53 in regulating constitutive IL-6 production in RCC cells. RCC cell lines containing mutant (mut) p53 produced significantly higher levels of IL-6 than those containing wt p53 (p < 0.05). Transfection of wt p53 into RCC cell lines resulted in significant repression of IL-6 promoter CAT activity p < 0.05). Mutant p53 was less effective at repressing IL-6 promoter activity in ACHN cells, and actually enhanced IL-6 promoter activity in the A498 cell line. A498 cells stably transfected with mutant p53 produced significantly higher levels of IL-6 than A498 cells transfected with an empty expression vector (p < 0.05). Electrophoretic mobility shift assay showed a significant decrease in binding of C/EBP, CREB, and NF-kB transcription factors to the IL-6 promoter in A498 cells transfected with wt p53. Mut p53 was unable to inhibit transcription factor binding to the IL-6 promoter in these cells. Mutant p53-expressing UOK 121LN cells showed decreased binding of C/EBP and CREB, but not NF-kB, following wt p53 transfection. These data suggest that (i) mutation of p53 contributes to the over-expression of IL-6 in RCC; and (ii) wt p53 represses IL-6 expression at least in part by interfering with the binding of C/EBP, CREB, and in some cases, NF-kB transcription factors to the IL-6 promoter. ^

Cloning and expression of rat 25-hydroxyvitamin D3-1α-hydroxylase cDNA

A full-length cDNA for the rat kidney mitochondrial cytochrome P450 mixed function oxidase, 25-hydroxyvitamin D3-1α-hydroxylase (P4501α), was cloned from a vitamin D-deficient rat kidney cDNA library and subcloned into the mammalian expression vector pcDNA 3.1(+). When P4501α cDNA was transfected into COS-7 transformed monkey kidney cells, they expressed 25-hydroxyvitamin D3-1α-hydroxylase activity. The sequence analysis showed that P4501α was of 2,469 bp long and contained an ORF encoding 501 amino acids. The deduced amino acid sequence showed a 53% similarity and 44% identity to the vitamin D3-25-hydroxylase (CYP27), whereas it has 42.6% similarity and 34% identity with the 25-hydroxyvitamin D3-24-hydroxylase (CYP24). Thus, it composes a new subfamily of the CYP27 family. Further, it is more closely related to the CYP27 than to the CYP24. The expression of P4501α mRNA was greatly increased in the kidney of vitamin D-deficient rats. In rats with the enhanced renal production of 1α,25-dihydroxyvitamin D3 (rats fed a low Ca diet), P4501α mRNA was greatly increased in the renal proximal convoluted tubules.

Sustained secretion of human alpha-1-antitrypsin from murine muscle transduced with adeno-associated virus vectors

Recombinant adeno-associated virus (AAV) vectors have been used to transduce murine skeletal muscle as a platform for secretion of therapeutic proteins. The utility of this approach for treating alpha-1-antitrypsin (AAT) deficiency was tested in murine myocytes in vitro and in vivo. AAV vectors expressing the human AAT gene from either the cytomegalovirus (CMV) promoter (AAV-C-AT) or the human elongation factor 1-α promoter (AAV-E-AT) were examined. In vitro in C2C12 murine myoblasts, the expression levels in transient transfections were similar between the two vectors. One month after transduction, however, the human elongation factor 1 promoter mediated 10-fold higher stable human AAT expression than the CMV promoter. In vivo transduction was performed by injecting doses of up to 1.4 × 1013 particles into skeletal muscles of several mouse strains (C57BL/6, BALB/c, and SCID). In vivo, the CMV vector mediated higher levels of expression, with sustained serum levels over 800 μg/ml in SCID and over 400 μg/ml in C57BL/6 mice. These serum concentrations are 100,000-fold higher than those previously observed with AAV vectors in muscle and are at levels which would be therapeutic if achieved in humans. High level expression was delayed for several weeks but was sustained for over 15 wk. Immune responses were dependent upon the mouse strain and the vector dosage. These data suggest that recombinant AAV vector transduction of skeletal muscle could provide a means for replacing AAT or other essential serum proteins but that immune responses may be elicited under certain conditions.

Interference with gene regulation in living sea urchin embryos: Transcription factor Knock Out (TKO), a genetically controlled vector for blockade of specific transcription factors

“TKO” is an expression vector that knocks out the activity of a transcription factor in vivo under genetic control. We describe a successful test of this concept that used a sea urchin transcription factor of known function, P3A2, as the target. The TKO cassette employs modular cis-regulatory elements to express an encoded single-chain antibody that prevents the P3A2 protein from binding DNA in vivo. In normal development, one of the functions of the P3A2 transcription factor is to repress directly the expression of the CyIIIa cytoskeletal actin gene outside the aboral ectoderm of the embryo. Ectopic expression in oral ectoderm occurs if P3A2 sites are deleted from CyIIIa expression constructs, and we show here that introduction of an αP3A2⋅TKO expression cassette causes exactly the same ectopic oral expression of a coinjected wild-type CyIIIa construct. Furthermore, the αP3A2⋅TKO cassette derepresses the endogenous CyIIIa gene in the oral ectoderm and in the endoderm. αP3A2⋅TKO thus abrogates the function of the endogenous SpP3A2 transcription factor with respect to spatial repression of the CyIIIa gene. Widespread expression of αP3A2⋅TKO in the endoderm has the additional lethal effect of disrupting morphogenesis of the archenteron, revealing a previously unsuspected function of SpP3A2 in endoderm development. In principle, TKO technology could be utilized for spatially and temporally controlled blockade of any transcription factor in any biological system amenable to gene transfer.

Regulation of c-maf gene expression by Pax6 in cultured cells

c-Maf is a bZip transcription factor expressed in developmental and cellular differentiation processes. Recently, a c-maf knockout mouse model, showing abnormal lens development, has been reported. In order to study the regulation mechanisms of c-maf gene expression during the differentiation process we have cloned and functionally characterized the rat c-maf (maf-2) gene. The rat c-maf gene is an intronless gene, covering a length of 3.5 kb. Transient transfection analysis of the 5′-flanking region of the c-maf gene using luciferase as the reporter gene shows that Pax6, a master transcription factor for lens development, strongly activates the c-maf promoter construct. Endogenous c-maf is also activated by the Pax6 expression vector. Electrophoresis mobility shift assay and DNase I footprinting analysis show that at least three Pax6-binding sites are located in the 5′-flanking and 5′-non-coding regions of the rat c-maf gene. The c-maf gene was also markedly activated by its own product, c-Maf, through the MARE (Maf recognition element), suggesting that a positive autoregulatory mechanism controls this gene. In situ hybridization histochemical detection of Pax6 and c-Maf in the E14 lens showed that both mRNAs are expressed in the lens equator where lens epithelial cells are differentiating to lens fiber cells. These results suggest that a Pax6/c-Maf transcription factor cascade is working in lens development.

Antisense-mediated decrease in DNA ligase III expression results in reduced mitochondrial DNA integrity

The human DNA ligase III gene encodes both nuclear and mitochondrial proteins. Abundant evidence supports the conclusion that the nuclear DNA ligase III protein plays an essential role in both base excision repair and homologous recombination. However, the role of DNA ligase III protein in mitochondrial genome dynamics has been obscure. Human tumor-derived HT1080 cells were transfected with an antisense DNA ligase III expression vector and clones with diminished levels of DNA ligase III activity identified. Mitochondrial protein extracts prepared from these clones had decreased levels of DNA ligase III relative to extracts from cells transfected with a control vector. Analysis of these clones revealed that the DNA ligase III antisense mRNA-expressing cells had reduced mtDNA content compared to control cells. In addition, the residual mtDNA present in these cells had numerous single-strand nicks that were not detected in mtDNA from control cells. Cells expressing antisense ligase III also had diminished capacity to restore their mtDNA to pre-irradiation levels following exposure to γ-irradiation. An antisense-mediated reduction in cellular DNA ligase IV had no effect on the copy number or integrity of mtDNA. This observaion, coupled with other evidence, suggests that DNA ligase IV is not present in the mitochondria and does not play a role in maintaining mtDNA integrity. We conclude that DNA ligase III is essential for the proper maintenance of mtDNA in cultured mammalian somatic cells.

Structure and function in rhodopsin: high level expression of a synthetic bovine opsin gene and its mutants in stable mammalian cell lines.

Stable mammalian cell lines harboring a synthetic bovine opsin gene have been derived from the suspension-adapted HEK293 cell line. The opsin gene is under the control of the immediate-early cytomegalovirus promoter/enhancer in an expression vector that also contains a selectable marker (Neo) governed by a relatively weak promoter. The cell lines expressing the opsin gene at high levels are selected by growth in the presence of high concentrations of the antibiotic geneticin. Under the conditions used for cell growth in suspension, opsin is produced at saturated culture levels of more than 2 mg/liter. After reconstitution with 11-cis-retinal, rhodopsin is purified to homogeneity in a single step by immunoaffinity column chromatography. Rhodopsin thus prepared (> 90% recovery at concentrations of up to 15 microM) is indistinguishable from rhodopsin purified from bovine rod outer segments by the following criteria: (i) UV/Vis absorption spectra in the dark and after photobleaching and the rate of metarhodopsin II decay, (ii) initial rates of transducin activation, and (iii) the rate of phosphorylation by rhodopsin kinase. Although mammalian cell opsin migrates slower than rod outer segment opsin on SDS/polyacrylamide gels, presumably due to a different N-glycosylation pattern, their mobilities after deglycosylation are identical. This method has enabled the preparation of several site-specific mutants of bovine opsin in comparable amounts.