Untersuchungen zur rekombinanten Expression und Faltung pflanzlicher Tyrosinasen

In ihrer dualen Funktion als Monophenolhydroxylase (EC 1.14.18.1) und Diphenoloxidase (EC 1.10.3.1) ist die Tyrosinase das Schlüsselenzym der Melanogenese, der Synthese des Melanins, und übernimmt damit quer durch alle Organismenreiche Aufgaben von der Pigmentierung bis hin zu einer Beteiligung an der Immunantwort. Sie zählt, zusammen mit den Catecholoxidasen und Hämocyaninen, zu den Typ-3-Kupfer-Proteinen, die sich durch ein Aktives Zentrum auszeichnen, das in der Lage ist, Sauerstoff und phenolische Substrate reversibel zwischen zwei Kupfer-Ionen zu binden. Bisher konnte weder die Funktion der pflanzlichen Tyrosinase genau identifiziert, noch die Struktur eines solchen Enzyms aufgeklärt werden. Mit dem späteren Ziel, durch eine röntgenkristallographische Analyse die zugrunde liegende strukturelle Ursache der zusätzlichen Monophenolhydroxylase-Aktivität von Tyrosinasen gegenüber reinen Catecholoxidasen ermitteln zu können, wurde in dieser Arbeit ein bakterielles Expressionssystem entwickelt, das zur Herstellung einer rekombinanten Tyrosinase oder Polyphenoloxidase (PPO) aus Spinacia oleracea (Spinat) für die Kristallisation verwendet werden kann. Das rekombinante Protein wurde in Form von Inclusion Bodies isoliert, anhand einer Affinitätschromatographie aufgereinigt und in anschließende Rückfaltungsexperimente eingesetzt. In einer parallelen Versuchsreihe konnte Spinat, aufgrund seiner hohen Tyrosinaseaktivität, als geeignetes Objekt für die Isolation des nativen Enzyms identifiziert werden. Im Anschluss an eine Thylakoidpräparation, Solubilisierung der Thylakoidmembranen und Fällung des Proteins mit Ammoniumsulfat, wurden Experimente zur weiteren Anreicherung der Tyrosinase-Aktivität über eine Anionenaustausch-Chromatographie und zur Etablierung einiger nachfolgender Aufreinigungsschritte durchgeführt.

Aktivierung von Hämocyanin zur Tyrosinase

Ziel der Arbeit war die enzymatische Aktivierung von Cheliceraten-Hämocyanin zur Erforschung ihrer Phenoloxidase-Aktivität. Hierzu wurden zwei Hämocyanine in vergleichenden Untersuchungen herangezogen: Das bekannte 24-mer aus der Spinne Eurypelma californicum und das ebenfalls 24-mere Hämocyanin des Skorpions Pandinus imperator, dessen Struktur hier aufgeklärt wurde. Elektronenmikroskopisch und in der dynamischer Lichtstreuung sind sich beide Hämocyanine sehr ähnlich und sedimentieren bei analytischer Ultrazentrifugation ebenfalls in gleicher Weise (Sedimentationskoeffizient von 37 S (S20, W)). Durch Dissoziation im alkalischen Milieu gewinnt man bis zu zwölf Untereinheiten, von denen sich neun immunologisch unterscheiden lassen. Das absorptionsspektroskopische Verhalten von P. imperator- und E. californicum-Hämocyanin sowie Sekundärstrukturanalyse mittels CD-Spektroskopie ist nahezu identisch. Die Stabilität des Hämocyanins gegenüber Temperatur und Denaturierungsmitteln wurde mit Circulardichroismus- und Fluoreszenzspektroskopie sowie durch die enzymatische Aktivität untersucht. Erstmals konnten die Hämocyanine von P. imperator und E. californicum nicht nur zu einer stabilen Diphenoloxidase umgewandelt werden, sondern auch eine Monophenolhydroxylase-Aktivität induziert und reguliert werden. Für letztere Aktivität ist dabei die Präsenz von Tris- oder Hepes-Puffer wesentlich. Während sich die Monophenolhydroxylase-Aktivität nur auf Ebene der oligomeren Zustände beobachten lässt, erkennt man bei den isolierten Untereinheiten-Typen lediglich eine Diphenoloxidase-Aktivität. Bei dem Spinnen-Hämocyanin zeigen die Untereinheiten bc die stärkste katalytische Aktivität auf, bei P. imperator-Hämocyanin findet man drei bis vier Untereinheiten, die enzymatisch aktiv sind. Die Aktivierung mit SDS liefert den Hinweis, dass die Quartärstruktur in eine andere Konformation gebracht und nicht durch SDS denaturiert wird. Zugabe von Mg2+ reguliert die Phenoloxidase-Aktivität und verschiebt bei P. imperator-Hämocyanin die enzymatische Aktivität zugunsten der Diphenoloxidase. Mit keiner der zur Verfügung stehenden Methoden konnte jedoch ein Konformationsübergang eindeutig nachgewiesen werden. Die Stabilität scheint durch die niedrigen SDS-Konzentrationen nicht beeinträchtigt zu werden. Die sehr lange “Verzögerungsphase“ bei der Monophenolhydroxylase-Aktivität konnte durch Zugabe von katalytischem Diphenol drastisch verkürzt werden, was ein Hinweis auf die echte Tyrosinase-Aktivität des aktivierten Hämocyanins ist. Ein in vivo-Aktivator konnte bis jetzt noch nicht gefunden werden. Trotzdem scheinen die Hämocyanine in der Immunologie von Cheliceraten eine bedeutende Rolle zu spielen, indem sie die Rolle der Tyrosinasen / Phenoloxidasen beziehungsweise Catecholoxidasen übernehmen, die bei Cheliceraten nicht vorkommen. Weitere Möglichkeiten des Cheliceraten-Immunsystems, eindringende Fremdorganismen abzuwehren, wurden untersucht. Das Fehlen einer ´echten` Phenoloxidase-Aktivität bei den Cheliceraten, mit der Fähigkeit, sowohl mono- als auch diphenolische Substrate umzusetzen, stützt die Hypothese, dass aktiviertes Hämocyanin in vivo an die Stelle der Phenoloxidase tritt.

Direct electron transfer to cytochrome c oxidase investigated by electrochemistry and time-resolved surface-enhanced infrared absorption spectroscopy

Cytochrom c Oxidase (CcO), der Komplex IV der Atmungskette, ist eine der Häm-Kupfer enthaltenden Oxidasen und hat eine wichtige Funktion im Zellmetabolismus. Das Enzym enthält vier prosthetische Gruppen und befindet sich in der inneren Membran von Mitochondrien und in der Zellmembran einiger aerober Bakterien. Die CcO katalysiert den Elektronentransfer (ET) von Cytochrom c zu O2, wobei die eigentliche Reaktion am binuklearen Zentrum (CuB-Häm a3) erfolgt. Bei der Reduktion von O2 zu zwei H2O werden vier Protonen verbraucht. Zudem werden vier Protonen über die Membran transportiert, wodurch eine elektrochemische Potentialdifferenz dieser Ionen zwischen Matrix und Intermembranphase entsteht. Trotz ihrer Wichtigkeit sind Membranproteine wie die CcO noch wenig untersucht, weshalb auch der Mechanismus der Atmungskette noch nicht vollständig aufgeklärt ist. Das Ziel dieser Arbeit ist, einen Beitrag zum Verständnis der Funktion der CcO zu leisten. Hierzu wurde die CcO aus Rhodobacter sphaeroides über einen His-Anker, der am C-Terminus der Untereinheit II angebracht wurde, an eine funktionalisierte Metallelektrode in definierter Orientierung gebunden. Der erste Elektronenakzeptor, das CuA, liegt dabei am nächsten zur Metalloberfläche. Dann wurde eine Doppelschicht aus Lipiden insitu zwischen die gebundenen Proteine eingefügt, was zur sog. proteingebundenen Lipid-Doppelschicht Membran (ptBLM) führt. Dabei musste die optimale Oberflächenkonzentration der gebundenen Proteine herausgefunden werden. Elektrochemische Impedanzspektroskopie(EIS), Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) und zyklische Voltammetrie (CV) wurden angewandt um die Aktivität der CcO als Funktion der Packungsdichte zu charakterisieren. Der Hauptteil der Arbeit betrifft die Untersuchung des direkten ET zur CcO unter anaeroben Bedingungen. Die Kombination aus zeitaufgelöster oberflächenverstärkter Infrarot-Absorptionsspektroskopie (tr-SEIRAS) und Elektrochemie hat sich dafür als besonders geeignet erwiesen. In einer ersten Studie wurde der ET mit Hilfe von fast scan CV untersucht, wobei CVs von nicht-aktivierter sowie aktivierter CcO mit verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten gemessen wurden. Die aktivierte Form wurde nach dem katalytischen Umsatz des Proteins in Anwesenheit von O2 erhalten. Ein vier-ET-modell wurde entwickelt um die CVs zu analysieren. Die Methode erlaubt zwischen dem Mechanismus des sequentiellen und des unabhängigen ET zu den vier Zentren CuA, Häm a, Häm a3 und CuB zu unterscheiden. Zudem lassen sich die Standardredoxpotentiale und die kinetischen Koeffizienten des ET bestimmen. In einer zweiten Studie wurde tr-SEIRAS im step scan Modus angewandt. Dafür wurden Rechteckpulse an die CcO angelegt und SEIRAS im ART-Modus verwendet um Spektren bei definierten Zeitscheiben aufzunehmen. Aus diesen Spektren wurden einzelne Banden isoliert, die Veränderungen von Vibrationsmoden der Aminosäuren und Peptidgruppen in Abhängigkeit des Redoxzustands der Zentren zeigen. Aufgrund von Zuordnungen aus der Literatur, die durch potentiometrische Titration der CcO ermittelt wurden, konnten die Banden versuchsweise den Redoxzentren zugeordnet werden. Die Bandenflächen gegen die Zeit aufgetragen geben dann die Redox-Kinetik der Zentren wieder und wurden wiederum mit dem vier-ET-Modell ausgewertet. Die Ergebnisse beider Studien erlauben die Schlussfolgerung, dass der ET zur CcO in einer ptBLM mit größter Wahrscheinlichkeit dem sequentiellen Mechanismus folgt, was dem natürlichen ET von Cytochrom c zur CcO entspricht.

In vivo and in vitro investigation of the tissue-specific activity of the human CYP3A4 and CYP3A5 promoters

The human cytochrome P450 3A4 (CYP3A4), the predominant but variably expressed cytochrome P450 in adult liver and small intestine is involved in the metabolism of over 50% of currently used drugs. Its paralog CYP3A5 plays a crucial role in the disposition of several drugs with low therapeutic index, including tacrolimus. Limited information is available for the CYP3A5 transcriptional regulation and its induction by xenobiotics remains controversial. In the first part of this study, we analysed the CYP3A5 transcriptional regulation and its induction by xenobiotics in vivo using transgenic mice. To this end, two transgenic strains were established by pronuclear injection of a plasmid, expressing firefly luciferase driven by a 6.2 kb of the human CYP3A5 promoter. A detailed analysis of both strains shows a tissue distribution largely reflecting that of CYP3A5 transcripts in humans. Thus, the highest luciferase activity was detected in the small intestine, followed by oesophagus, testis, lung, adrenal gland, ovary, prostate and kidney. However, no activity was observed in the liver. CYP3A5-luc transgenic mice were similarly induced in both sexes with either PCN or TCPOBOP in small intestine in a dose-dependent manner. Thus, the 6.2 kb upstream promoter of CYP3A5 mediates the broad tissue activity in transgenic mice. CYP3A5 promoter is inducible in the small intestine in vivo, which may contribute to the variable expression of CYP3A in this organ. rnThe hepato-intestinal level of the detoxifying oxidases CYP3A4 and CYP3A5 is adjusted to the xenobiotic exposure mainly via the xenosensor and transcriptional factor PXR. CYP3A5 is additionally expressed in several other organs lacking PXR, including kidney. In the second part of this study, we investigated the mechanism of the differential expression of CYP3A5 and CYP3A4 and its evolutionary origin using renal and intestinal cells, and comparative genomics. For this examination, we established a two-cell line models reflecting the expression relationships of CYP3A4 and CYP3A5 in the kidney and small intestine in vivo. Our data demonstrate that the CYP3A5 expression in renal cells was enabled by the loss of a suppressing Yin Yang 1 (YY1)-binding site from the CYP3A5 promoter. This allowed for a renal CYP3A5 expression in a PXR-independent manner. The YY1 element is retained in the CYP3A4 gene, leading to its suppression, perhaps via interference with the NF1 activity in renal cells. In intestinal cells, the inhibition of CYP3A4 expression by YY1 is abrogated by a combined activating effect of PXR and NF1 acting on their respective response elements located adjacent to the YY1-binding site on CYP3A4 proximal promoter. CYP3A4 expression is further facilitated by a point mutation attenuating the suppressing effect of YY1 binding site. The differential expression of CYP3A4 and CYP3A5 in these organs results from the loss of the YY1 binding element from the CYP3A5 promoter, acting in concert with the differential organ expression of PXR, and with the higher accumulation of PXR response elements in CYP3A4. rn

Ursachen der Anthrazyklin-induzierten Kardiotoxizität : Einfluss der individuellen genetischen Ausstattung, des oxidativen Stresses und der Metabolisierung

Doxorubizin (Dox) gehört zur Gruppe der Anthrazykline, welche seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich gegen ein breites Spektrum an Tumoren eingesetzt wird. Neben der guten Wirksamkeit besitzt Dox jedoch auch ein sehr hohes Nebenwirkungspotential. Die wohl folgenschwerste Nebenwirkung stellt die irreversible Schädigung des Herzens dar. Zahlreiche Faktoren, wie zum Beispiel die kumulative Dox-Dosis konnten bereits mit einer erhöhten Inzidenz an kardialen Schäden in Verbindung gebracht werden. Bislang ungeklärt war jedoch die Frage, warum Patienten unterschiedlich sensibel auf die Verabreichung von Dox reagierten. rnAn dem Patientenkollektiv der Ricover60-Studie wurde der Einfluss der individuellen genetischen Ausstattung auf die Entstehung der Anthrazyklin-induzierten Herzschädigung untersucht. Alle Patienten mit Dox-induzierten Herzschäden wurden identifiziert und auf das Vorhandensein von genetischen Polymorphismen der NAD(P)H-Oxidase (CYBA, RAC2 und NCF4) und der Anthrazyklin-Transporter (MRP1 und MRP2) untersucht. Sowohl für CYBA als auch für RAC2 konnte eine Anreicherung bestimmter Genotypen (CYBA: CT/TT; RAC2: TA/AA) in der Gruppe der herzgeschädigten Patienten nachgewiesen werden. In der Multivariaten Analyse von RAC2 erreichte diese Anreicherung ein signifikantes Niveau (p=0.028). Damit konnte für diesen Polymorphismus die klinische Relevanz bestätigt werden.rnDie Ursachen der Dox-induzierten Toxizität wurden außerdem an verschiedenen Mäusestämmen und Zelllinien untersucht. Balb/c- und C57BL/6-Mäuse, die bekanntermassen unterschiedlich sensibel auf Dox reagierten, wurden mit Dox behandelt. Anschliessend wurden die Organe Herz, Leber und Blut via HPLC untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich 1. die Hauptanreicherungsorte für Dox und Doxol (Balb/c: Herz und Blut versus C57BL/6: Leber), 2. die nachgewiesenen Gesamtmengen an Dox+Doxol+Doxon in den drei Organen (MengeC57BL/6 > MengeBalb/c) sowie 3. die An- und Abflutungsgeschwindigkeiten von Dox zwischen den beiden Mäusestämmen unterscheiden. Schlussendlich konnte im Vergleich zu den Balb/c-Mäusen, bei den C57BL/6-Mäusen eine stärkere kardiale Anreicherung von Dox nach der mehrmaligen Dox-Injektion nachgewiesen werden. Somit scheinen der deutlich höhere Dox-Gehalt und die längere Verweilzeit in den Herzen für die stärkere kardiale Schädigung der C57BL/6-Mäuse verantwortlich zu sein. Hingegen verlief die Art der Dox-Metabolisierung in beiden Mäusestämmen ähnlich. rnBei der Betrachtung des oxidativen Stresses konnte gezeigt werden, dass in den Herzen der C57BL/6-Mäusen ein gröβerer oxidativer Stress vorlag, als bei den Balb/c-Mäusen. Ähnlich wie bei der Ricover60-Studie ließ sich auch bei den Mäusen eine Beteiligung der NAD(P)H-Oxidase am Dox-induzierten oxidativen Stress nachweisen. rnMit der HTETOP-Zelllinie konnte gezeigt werden, dass Dox unter physiologischen Bedingungen oxidativen Stress auslösen kann. Die Art und die Konzentration der gebildeten ROS waren abhängig von der Dox-Konzentration, der Einwirkzeit und der Kompensationsfähigkeit der Zellen. Durch die Gabe von Dex ließ sich das Ausmaß des oxidativen Stresses lediglich in den Mäuseherzen reduzieren. In den HTETOP-Zellen zeigte Dex selbst stressauslösende Eigenschaften. Durch die Behandlung mit Dex / DOXY konnte gezeigt werden, dass die Hemmung der Topo IIα selbst oxidativen Stress in den HTETOP-Zellen auslöst. Jedoch scheint weder die Topo IIalpha-Hemmung, noch der Dox-induzierte oxidative Stress bei physiologischen Dox-Konzentrationen (< 1 µM) eine entscheidende Rolle für die Toxizität zu spielen. rnIn der Mikroarray-Analyse der HTETOP-Zellen konnten verschiedene Gene identifiziert werden, die in den oxidativen Stress involviert sind und die durch die Gabe von Dox differentiell reguliert werden. Durch die Komedikation mit Dex / DOXY ließen sich diese Veränderungen teilweise modulieren. rn

Molekulare Mechanismen Proteinkinase C-induzierter Nox4-Hochregulation in humanen Endothelzellen

Eine verstärkte Transkription von NADPH-Oxidasen (Nox) wird mit der Entstehung von atherosklerotischer Veränderungen in Verbindung gebracht. Die Arbeit unserer Gruppe zeigte, dass die Aktivität der Proteinkinase C (PKC) zu einer Nox4-Hochregulation führt, der dominanten NOX Isoform in endothelialen Zellen. Die vorliegende Arbeit zielte auf die Aufdeckung der dowm-stream gelegenen Mechanismen. Die Behandlung von humanen EA.hy 926-Zellen mit dem PKC Aktivator Phorbol-12-Myristat-13-Acetat (PMA) für 48 h führte in eine signifikante Nox4-mRNA-Hochregulation, welche mittels PKC-Inhibitoren oder PKC alpha siRNA abgewendet werden konnte. PMA führte zu einer andauernden Aktivierung der MAP-Kinase Erk1/2. Die PMA vermittelte Nox4-Expression konnte durch Erk1/2-Inhibitoren oder durch Erk1/2-Knock-down geblockt werden. Down-stream konnte die Involvierung der Erk1/2-Substarte Elk-1 und c-Fos mittels siRNA-Experimente gezeigt werden. Darüber hinaus blockte die Inhibierung der Histondeacetylasen (HDACs) mit Scriptaid oder durch HDAC3-Knock-down mittels siRNA die PMA-induzierte Nox4-Expression in EA.hy 926-Zellen, weswegen eine Rolle für HADC3 in der Regulation der Nox4-Expression angezeigt wurde. Abschließend reduzierte ein Knock-down von p53 (siRNA) deutlich die basale Expression von Nox4, hatte aber nur einen kleinen Effekt auf die PMA-induzierte Nox4-Expression. Zusammenfassend zeigen die Daten der vorliegenden Arbeit, dass in einer PKC alpha induzierten Nox4-mRNA-Hochregulation Erk1/2, Elk-1, cFos und HDAC3 involviert sind.

Snake venom proteins affecting platelets and their applications to anti-thrombotic research

Snake venoms are very complex mixtures of biologically active proteins and peptides that may affect hemostasis in many ways, by activating or inhibiting coagulant factors or platelets, or by disrupting endothelium. They have been classified into various families, including serine proteases, metalloproteinases, C-type lectins, disintegrins and phospholipases. The various members of a particular family act selectively on different blood coagulation factors, blood cells or tissues. Venom proteins affect platelet function in particular by binding to and blocking or clustering and activating receptors or by cleaving receptors or von Willebrand factor. They may also activate protease-activated receptors or modulate ADP release or thromboxane A(2) formation. L-amino acid oxidases activate platelets by producing H(2)O(2). Many of these purified components are valuable tools in platelet research, providing new information about receptor function and signaling.

Snake venoms and hemostasis

Snake venoms are complex mixtures of biologically active proteins and peptides. Many of them affect hemostasis by activating or inhibiting coagulant factors or platelets, or by disrupting endothelium. Based on sequence, these snake venom components have been classified into various families, such as serine proteases, metalloproteinases, C-type lectins, disintegrins and phospholipases. The various members of a particular family act selectively on different blood coagulation factors, blood cells or tissues. For almost every factor involved in coagulation or fibrinolysis there is a venom protein that can activate or inactivate it. Venom proteins affect platelet function by binding or degrading vWF or platelet receptors, activating protease-activated receptors or modulating ADP release and thromboxane A2 formation. Some venom enzymes cleave key basement membrane components and directly affect capillary blood vessels to cause hemorrhaging. L-Amino acid oxidases activate platelets via H2O2 production.

Glycerol metabolism is important for cytotoxicity of Mycoplasma pneumoniae

Glycerol is one of the few carbon sources that can be utilized by Mycoplasma pneumoniae. Glycerol metabolism involves uptake by facilitated diffusion, phosphorylation, and the oxidation of glycerol 3-phosphate to dihydroxyacetone phosphate, a glycolytic intermediate. We have analyzed the expression of the genes involved in glycerol metabolism and observed constitutive expression irrespective of the presence of glycerol or preferred carbon sources. Similarly, the enzymatic activity of glycerol kinase is not modulated by HPr-dependent phosphorylation. This lack of regulation is unique among the bacteria for which glycerol metabolism has been studied so far. Two types of enzymes catalyze the oxidation of glycerol 3-phosphate: oxidases and dehydrogenases. Here, we demonstrate that the enzyme encoded by the M. pneumoniae glpD gene is a glycerol 3-phosphate oxidase that forms hydrogen peroxide rather than NADH(2). The formation of hydrogen peroxide by GlpD is crucial for cytotoxic effects of M. pneumoniae. A glpD mutant exhibited a significantly reduced formation of hydrogen peroxide and a severely reduced cytotoxicity. Attempts to isolate mutants affected in the genes of glycerol metabolism revealed that only the glpD gene, encoding the glycerol 3-phosphate oxidase, is dispensable. In contrast, the glpF and glpK genes, encoding the glycerol facilitator and the glycerol kinase, respectively, are essential in M. pneumoniae. Thus, the enzymes of glycerol metabolism are crucial for the pathogenicity of M. pneumoniae but also for other essential, yet-to-be-identified functions in the M. pneumoniae cell.

Structural studies of cytochrome P4501A1: Identification of substrate and cumene hydroperoxide binding regions in the active site of P4501A1 and characterization of the P4501A1 interaction with cytochrome P450 reductase

Cytochromes P450 are a superfamily of heme-thiolate proteins that function in a concert with another protein, cytochrome P450 reductase, as terminal oxidases of an enzymatic system catalyzing the metabolism of a variety of foreign compounds and endogenous substrates. In order to better understand P450s catalytic mechanism and substrate specificity, information about the structure of the active site is necessary. Given the lack of a crystal structure of mammalian P450, other methods have been used to elucidate the substrate recognition and binding site structure in the active center. In this project I utilized the photoaffinity labeling technique and site-directed mutagenesis approach to gain further structural insight into the active site of mammalian cytochrome P4501AI and examine the role of surface residues in the interaction of P4501A1 with the reductase. ^ Four crosslinked peptides were identified by photoaffinity labeling using diazido benzphetamine as a substrate analog. Alignment of the primary structure of cytochrome P4501A1 with that of bacterial cytochrome P450102 (the crystal structure of which is known) revealed that two of the isolated crosslinked peptides can be placed in the vicinity of heme (in the L helix region and β10-β11 sheet region of cytochrome P450102) and could be involved in substrate binding. The other two peptides were located on the surface of the protein with the label bound specifically to Lys residues that were proposed to be involved in reductase-P450 interaction. ^ Alternatively, it has been shown that some of the organic hydroperoxides can support P450 catalyzed reactions in the absence of NADPH, O2 and reductase. By means of photoaffinity labeling the cumene hydroperoxide binding region was identified. Using azidocumene as the photoaffinity label, the tripeptide T501-L502-K503 was shown to be the site where azidocumene covalently binds to P4501A1. The sequence alignment of cytochrome P4501A1 with cytochrome P450102 predicts that this region might correspond to β-sheet structure localized on the distal side of the heme ring near the I helix and the oxygen binding pocket. The role of Thr501 in the cumene hydroperoxide binding was confirmed by mutations of this residue and kinetic analysis of the effects of the mutations. ^ In addition, the role of two lysine residues, Lys271 and Lys279, in the interaction with reductase was examined by means of site-directed mutagenesis. The lysine residues were substituted with isoleucine and enzymatic activity of the wild type and the mutants were compared in reductase- and cumene hydroperoxide-supported systems. The lysine 279 residue has been shown to play a critical role in the P4501A1-reductase interaction. ^

Mimicking respiratory phosphorylation using purified enzymes

The enzymes of oxidative phosphorylation are a striking example of the functional association of multiple enzyme complexes, working together to form ATP from cellular reducing equivalents. These complexes, such as cytochrome c oxidase or the ATP synthase, are typically investigated individually and therefore, their functional interplay is not well understood. Here, we present methodology that allows the co-reconstitution of purified terminal oxidases and ATP synthases in synthetic liposomes. The enzymes are functionally coupled via proton translocation where upon addition of reducing equivalents the oxidase creates and maintains a transmembrane electrochemical proton gradient that energizes the synthesis of ATP by the F1F0 ATP synthase. The method has been tested with the ATP synthases from Escherichia coli and spinach chloroplasts, and with the quinol and cytochrome c oxidases from E. coli and Rhodobacter sphaeroides, respectively. Unlike in experiments with the ATP synthase reconstituted alone, the setup allows in vitro ATP synthesis under steady state conditions, with rates up to 90 ATP×s(-1)×enzyme(-1). We have also used the novel system to study the phenomenon of "mild uncoupling" as observed in mitochondria upon addition of low concentrations of ionophores (e.g. FCCP, SF6847) and the recoupling effect of 6-ketocholestanol. While we could reproduce the described effects, our data with the in vitro system does not support the idea of a direct interaction between a mitochondrial protein and the uncoupling agents as proposed earlier.

A dual oxidase generates a protective oxidative burst during infection in C. elegans

Caenorhabditis elegans has recently been developed as a model system to study both pathogen virulence mechanisms and host defense responses. We have shown that C. elegans produces reactive oxygen species (ROS) in response to exposure to the important Gram-positive, noscomial pathogen, Enterococcus faecalis. We have also shown evidence of oxidative stress and upregulation of stress response after exposure to the pathogen. As in mammalian systems, this work shows that production of ROS for innate immune functions occurs via an NADPH oxidase. Specifically, reducing expression of a dual oxidase, Ce-duox1/BLI-3 causes a decrease in ROS production in response to E. faecalis. We also present evidence that reduction of expression of Ce-duox1/BLI-3 increases susceptibility to this pathogen, specifically when expression is reduced in the intestine and the hypodermis. This dual oxidase has previously been localized to the hypodermis, but we show that it is additionally localized to the intestine of C. elegans. To further demonstrate the protective effects of the pathogen-induced ROS production, we demonstrate that antioxidants that scavenge ROS, increase the sensitivity of the nematode to the infection, in stark contrast to their longevity-promoting effects under non-pathogenic conditions. In conclusion, we postulate that the generation of ROS by NADPH oxidases in the barrier epithelium is an ancient, highly conserved innate immune defense mechanism.^

New insights into the regulation of NADPH oxidase dependent reactive oxygen species signaling during the plant immune response

Las NADPH oxidasas de plantas, denominadas “respiratory burst oxidase homologues” (RBOHs), producen especies reactivas del oxígeno (ROS) que median un amplio rango de funciones. En la célula vegetal, el ajuste preciso de la producción de ROS aporta la especificidad de señal para generar una respuesta apropiada ante las amenazas ambientales. RbohD y RbohF, dos de los diez genes Rboh de Arabidopsis, son pleiotrópicos y median diversos procesos fisiológicos en respuesta a patógenos. El control espacio-temporal de la expresión de los genes RbohD y RbohF podría ser un aspecto crítico para determinar la multiplicidad de funciones de estas oxidasas. Por ello, generamos líneas transgénicas de Arabidopsis con fusiones de los promoters de RbohD y RbohF a los genes delatores de la B-glucuronidasa y la luciferasa. Estas líneas fueron empleadas para revelar el patrón de expresión diferencial de RbohD y RbohF durante la respuesta inmune de Arabidopsis a la bacteria patógena Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000, el hongo necrótrofo Plectosphaerella cucumerina y en respuesta a señales relacionadas con la respuesta inmune. Nuestros experimentos revelan un patrón de expresión diferencial de los promotores de RbohD y RbohF durante el desarrollo de la planta y en la respuesta inmune de Arabidopsis. Además hemos puesto de manifiesto que existe una correlación entre el nivel de actividad de los promotores de RbohD y RbohF con la acumulación de ROS y el nivel de muerte celular en respuesta a patógenos. La expression de RbohD y RbohF también es modulada de manera diferencial en respuesta a patrones moleculares asociados a patógenos (PAMPs) y por ácido abscísico (ABA). Cabe destacar que, mediante una estrategia de intercambio de promotores, hemos revelado que la región promotora de RbohD, es necesaria para dirigir la producción de ROS en respuesta a P. cucumerina. Adicionalmente, la activación del promotor de RbohD en respuesta al aislado de P. cucumerina no adaptado a Arabidopsis 2127, nos llevó a realizar ensayos de susceptibilidad con el doble mutante rbohD rbohF que han revelado un papel desconocido de estas oxidasas en resistencia no-huesped. La interacción entre la señalización dependiente de las RBOHs y otros componentes de la respuesta inmune de plantas podría explicar también las distintas funciones que median estas oxidasas en relación con la respuesta inmune. Entre la gran cantidad de señales coordinadas con la actividad de las RBOHs, existen evidencias genéticas y farmacológicas que indican que las proteínas G heterotriméricas están implicadas en algunas de las rutas de señalización mediadas por ROS derivadas de los RBOHs en respuesta a señales ambientales. Por ello hemos estudiado la relación entre estas RBOH-NADPH oxidasas y AGB1, la subunidad β de las proteínas G heterotriméricas en la respuesta inmune de Arabidopsis. Análisis de epistasis indican que las proteínas G heterotriméricas están implicadas en distintas rutas de señalización en defensa mediadas por las RBOHs. Nuestros resultados ilustran la relación compleja entre la señalización mediada por las RBOHs y las proteínas G heterotriméricas, que varía en función de la interacción planta-patógeno analizada. Además, hemos explorado la posible asociación entre AGB1 con RBOHD y RBOHF en eventos tempranos de la respuesta immune. Cabe señalar que experimentos de coímmunoprecipitación apuntan a una posible asociación entre AGB1 y la kinasa citoplasmática reguladora de RBOHD, BIK1. Esto indica un posible mecanismo de control de la función de esta NADPH oxidase por AGB1. En conjunto, estos datos aportan nuevas perspectivas sobre cómo, a través del control transcripcional o mediante la interacción con las proteínas G heterotriméricas, las NADPH oxidases de plantas median la producción de ROS y la señalización por ROS en la respuesta inmune. Nuestro trabajo ejemplifica cómo la regulación diferencial de dos miembros de una familia multigénica, les permite realizar distintas funciones fisiológicas especializadas usando un mismo mecanismo enzimático. ABSTRACT The plant NADPH oxidases, termed respiratory burst oxidase homologues (RBOHs), produce reactive oxygen species (ROS) which mediate a wide range of functions. Fine tuning this ROS production provides the signaling specificity to the plant cell to produce the appropriate response to environmental threats. RbohD and RbohF, two of the ten Rboh genes present in Arabidopsis, are pleiotropic and mediate diverse physiological processes in response to pathogens. One aspect that may prove critical to determine the multiplicity of functions of RbohD and RbohF is the spatio-temporal control of their gene expression. Thus, we generated Arabidopsis transgenic lines with RbohD- and RbohF-promoter fusions to the β-glucuronidase and the luciferase reporter genes. These transgenics were employed to reveal RbohD and RbohF promoter activity during Arabidopsis immune response to the pathogenic bacterium Pseudomonas syringae pv tomato DC3000, the necrotrophic fungus Plectosphaerella cucumerina and in response to immunity-related cues. Our experiments revealed a differential expression pattern of RbohD and RbohF throughout plant development and during Arabidopsis immune response. Moreover, we observed a correlation between the level of RbohD and RbohF promoter activity, the accumulation of ROS and the amount of cell death in response to pathogens. RbohD and RbohF gene expression was also differentially modulated by pathogen associated molecular patterns and abscisic acid. Interestingly, a promoter-swap strategy revealed the requirement for the promoter region of RbohD to drive the production of ROS in response to P. cucumerina. Additionally, since the RbohD promoter was activated during Arabidopsis interaction with a non-adapted P. cucumerina isolate 2127, we performed susceptibility tests to this fungal isolate that uncovered a new role of these oxidases on non-host resistance. The interplay between RBOH-dependent signaling with other components of the plant immune response might also explain the different immunity-related functions mediated by these oxidases. Among the plethora of signals coordinated with RBOH activity, pharmacological and genetic evidence indicates that heterotrimeric G proteins are involved in some of the signaling pathways mediated by RBOH–derived ROS in response to environmental cues. Therefore, we analysed the interplay between these RBOH-NADPH oxidases and AGB1, the Arabidopsis β-subunit of heterotrimeric G proteins during Arabidopsis immune response. We carried out epistasis studies that allowed us to test the implication of AGB1 in different RBOH-mediated defense signaling pathways. Our results illustrate the complex relationship between RBOH and heterotrimeric G proteins signaling, that varies depending on the type of plant-pathogen interaction. Furthermore, we tested the potential association between AGB1 with RBOHD and RBOHF during early immunity. Interestingly, our co-immunoprecipitation experiments point towards an association of AGB1 and the RBOHD regulatory kinase BIK1, thus providing a putative mechanism in the control of the NADPH oxidase function by AGB1. Taken all together, these studies provide further insights into the role that transcriptional control or the interaction with heterotrimeric G-proteins have on RBOH-NADPH oxidase-dependent ROS production and signaling in immunity. Our work exemplifies how, through a differential regulation, two members of a multigenic family achieve specialized physiological functions using a common enzymatic mechanism.

Nuevos mecanismos moleculares de tolerancia a sequía y otros tipos de estrés abiótico en especies arbóreas de interés económico

Las masas forestales tienen una importancia colosal para nuestra sociedad y el conjunto de la biosfera. Estudios recientes a escala mundial indican que la sequía es el factor abiótico que más afecta a su crecimiento y supervivencia, seguida por las temperaturas extremas y la salinidad. Aunque comprender los mecanismos con que las especies arbóreas toleran estas formas de estrés tiene un interés aplicado evidente, dichos mecanismos se han estudiado mucho más en especies herbáceas modelo o de interés agronómico. Existen sin embargo diferencias notables entre ellas, como se demuestra en esta tesis y en otros trabajos recientes. Nuestro estudio se centra concretamente en la respuesta molecular del chopo –el sistema modelo forestal más desarrollado– al estrés abiótico, con particular énfasis en la sequía. Utilizando una estrategia proteómica y tratamientos controlados, hemos identificado componentes mayoritarios de dicha respuesta. Su participación en la misma se ha validado mediante análisis transcripcionales detallados utilizando tecnología qRT-PCR (PCR cuantitativa en tiempo real). Hemos identificado proteínas cuyo nexo funcional con mecanismos de tolerancia ya era conocido, como chaperonas moleculares sHSP o enzimas que atenúan el estrés oxidativo, pero también proteínas cuya relación funcional con el estrés es menos clara o incluso novedosa, como polifenol oxidasas (PPO), deshidrogenasas/reductasas de cadena corta (SDR), o bicupinas (BIC), entre otras. El cuerpo central de la tesis consiste en la caracterización detallada de una PPO inusual, cuya inducción por estrés hídrico se describe por vez primera. Estas enzimas están ampliamente distribuidas en plantas, si bien su número es muy variable de unas especies a otras. Algunas, como nogal, tienen un único gen, mientras que Arabidopsis no tiene ninguno. En la última versión del genoma de chopo hemos identificado un total de 12 miembros bona fide, corrigiendo trabajos previos, y hemos caracterizado su expresión individual ante diferentes situaciones de estrés controlado y tratamientos hormonales. La isoforma antedicha es el único miembro de la familia que responde claramente a la deshidratación. También responde a salinidad y a la mayor parte de tratamientos hormonales ensayados, pero no a daño mecánico o tratamientos con metil jasmonato. Esto la diferencia de enzimas homólogas presentes en otras especies de plantas, que se han relacionado experimentalmente con estrés biótico. Los patrones de acumulación de transcritos en árboles adultos son compatibles con un papel protector frente a la sequía. La integración de nuestros estudios funcionales y filogenéticos sugiere que la familia ha sufrido un proceso reciente de diversificación y neofuncionalización, siendo la protección frente a deshidratación su papel primigenio. Aunque se conoce la actividad bioquímica in vitro de este tipo de enzimas, sus sustratos naturales son esencialmente una incógnita. Mediante expresión heteróloga en Escherichia coli BL21(DE3) hemos detectado que la enzima de chopo es capaz de oxidar L-DOPA a dopaquinona, siendo menos activa frente a otros sustratos. Por otra parte, hemos demostrado su localización cloroplástica mediante transformación transitoria de protoplastos con fusiones a la proteína fluorescente YFP. Mediante la obtención de plantas transgénicas de A. thaliana hemos demostrado que la enzima de chopo aumenta considerablemente la tolerancia in vivo frente a la deshidratación y al estrés salino. El análisis fenotípico detallado de las líneas transgénicas, combinando múltiples metodologías, nos ha permitido sustanciar que la tolerancia tiene una base compleja. Esta incluye una mayor protección del sistema fotosintético, una capacidad antioxidante muy incrementada y la acumulación de solutos osmoprotectores como la prolina. Los análisis metabolómicos nos han permitido asociar la expresión de la proteína a la síntesis de un flavano no descrito previamente en A. thaliana, vinculando la enzima de chopo con la síntesis de fenilpropanoides. También hemos observado alteraciones en los niveles hormonales que podrían subyacer a efectos pleiotrópicos con interés aplicado, como un aumento consistente del tamaño de la planta o el acortamiento del ciclo de crecimiento. Además de aportar datos novedosos sobre la funcionalidad in vivo de esta familia de oxidasas, los resultados de esta tesis demuestran que los árboles son sistemas de estudio interesantes para caracterizar nuevas estrategias de tolerancia al estrés abiótico con potencial aplicado. ABSTRACT Forests masses have an extraordinary importance for our society and the biosphere. Recent worldwide studies indicate that drought is the abiotic factor that affects more their growing and survival, followed by extreme temperatures and salinity. The understanding of how the arboreal species tolerate the stress has an evident practical interest, but their mechanisms have been studied much more in herbaceous species or with agronomic interest. However, considerable differences exist between them, as this thesis and recent studies show. Our study is focused on the molecular response of the poplar –the more developed forestry model system- to abiotic stress, specifically focused in the drought. Using a proteomic strategy and controlled treatments, we have identified main components in such response. Its participation has been validated through transcriptional analysis using qRT-PCR technology. We have identified proteins whose functional connection with tolerance mechanisms were already known, as molecular chaperones sHSP or enzymes that attenuate the oxidative stress, but also some proteins whose functional relationship with the stress is less clear or even novel, as polifenol oxidases (PPO), short chain deshidrogenases/reductases (SDR), or bicupines (BIC), among others. The central body of the thesis consists of the detailed characterization of an unsual PPO, whose induction due to drought stress is first described. These enzymes are thoroughly distributed in plants, but their number of members is very variable among species. Some of them, as the walnut tree, have a single gene, while Arabidopsis has none. We have identified a total of 12 members in the last version of the poplar genome, correcting previous works, and have characterized their individual expression against different situations of controlled stress and hormone treatments. The aforementioned isoform is the only member of the family that responds clearly to the drought. It also reacts to salinity and the majority of hormonal treatments tested, but it does not respond to mechanical damage or treatments with methyl jasmonate. This is the difference with homologue enzymes present in other plant species, which have been related experimentally with abiotic stress. The accumulation patterns of transcripts in adult trees are compatible with a protector role against drought. The integration of our functional and phylogenetic studies suggests that the family has suffered a recent process of diversification and neofunctionalization, being the protection against drought their original role. Although the in vitro biochemistry activity of this kind of enzymes is already known, their natural substracts are essentially a mystery. By means of heterologous expression of Escherichia coli BL21(DE3) we have detected that the enzyme of poplar is able to oxidize L-DOPA to dopaquinone, being less active against other substrates. Additionally, we have proven its chloroplastic location with transitory transformation of protoplasts with YFP protein fusion. By means of getting transgenic plants of A. thaliana, we have demonstrated that the poplar enzyme increases notably the in vivo tolerance against the drought and salinity stresses. The phenotypic analysis of the transgenic lines, and the use of multiple methodologies, allowed us to test the complexity of the tolerance. This includes a major protection of the photosynthetic system, a very increased antioxidant capacity and the accumulation of osmoprotectant solutes as the proline. The metabolic analysis has allowed to associate the protein expression with the synthesis of a Flavan non described previously in A. thalaiana, linking the enzyme of poplar with the synthesis of phenylpropanoids. We have observed alterations in the hormonal levels that could underlie pleiotropic effects with applied interest, as a consistent increase of the size of the plant and the reduction of the growth cycle. The results of this thesis, in addition to provide novel data about the in vivo functionality of the oxidase family, demonstrate that the trees are interesting systems of study to characterize new strategies of tolerance against abiotic stress with applied potential.

Glutamic acid 286 in subunit I of cytochrome bo3 is involved in proton translocation

Glutamic acid 286 (E286; Escherichia coli cytochrome bo3 numbering) in subunit I of the respiratory heme-copper oxidases is highly conserved and has been suggested to be involved in proton translocation. We report a technique of enzyme reconstitution that yields essentially unidirectionally oriented cytochrome bo3 vesicles in which proton translocation can be measured. Such experiments are not feasible in the E286Q mutant due to strong inhibition of respiration, but this is not the case for the mutants E286D and E286C. The reconstituted E286D mutant enzyme readily translocates protons whereas E286C does not. Loss of proton translocation in the D135N mutant, but not in D135E or D407N, also is verified using proteoliposomes. Stopped-flow experiments show that the peroxy intermediate accumulates in the reaction of the E286Q and E286C mutant enzymes with O2. We conclude that an acidic function of the 286 locus is essential for the mechanism of proton translocation.