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.

Leptospiral Immunoglobulin-like Proteins Interact With Human Complement Regulators Factor H, FHL-1, FHR-1, and C4BP

Leptospira, the causative agent of leptospirosis, interacts with several host molecules, including extracellular matrix components, coagulation cascade proteins, and human complement regulators. Here we demonstrate that acquisition of factor H (FH) on the Leptospira surface is crucial for bacterial survival in the serum and that these spirochetes, besides interacting with FH, FH related-1, and C4b binding protein (C4BP), also acquire FH like-1 from human serum. We also demonstrate that binding to these complement regulators is mediated by leptospiral immunoglobulin-like (Lig) proteins, previously shown to interact with fibronectin, laminin, collagen, elastin, tropoelastin, and fibrinogen. Factor H binds to Lig proteins via short consensus repeat domains 5 and 20. Competition assays suggest that FH and C4BP have distinct binding sites on Lig proteins. Moreover, FH and C4BP bound to immobilized Ligs display cofactor activity, mediating C3b and C4b degradation by factor I. In conclusion, Lig proteins are multifunctional molecules, contributing to leptospiral adhesion and immune evasion.

Intrinsic uncoupling in the ATP synthase of Escherichia coli. Studies on WT and ε-truncated mutants

The H+/ATP ratio in the catalysis of ATP synthase has generally been considered a fixed parameter. However, Melandri and coworkers have recently shown that, in the ATP synthase of the photosynthetic bacterium Rb.capsulatus, this ratio can significantly decrease during ATP hydrolysis when the concentration of either ADP or Pi is maintained at a low level (Turina et al., 2004). The present work has dealt with the ATP synthase of E.coli, looking for evidence of this phenomenon of intrinsic uncoupling in this organism as well. First of all, we have shown that the DCCD-sensitive ATP hydrolysis activity of E.coli internal membranes was strongly inhibited by ADP and Pi, with a half-maximal effect in the submicromolar range for ADP and at 140 µM for Pi. In contrast to this monotonic inhibition, however, the proton pumping activity of the enzyme, as estimated under the same conditions by the fluorescence quenching of the ΔpH-sensitive probe ACMA, showed a clearly biphasic progression, both for Pi, increasing from 0 up to approximately 200 µM, and for ADP, increasing from 0 up to a few µM. We have interpreted these results as indicating that the occupancy of ADP and Pi binding sites shifts the enzyme from a partially uncoupled state to a fully coupled state, and we expect that the ADP- and Pi-modulated intrinsic uncoupling is likely to be a general feature of prokaryotic ATP synthases. Moreover, the biphasicity of the proton pumping data suggested that two Pi binding sites are involved. In order to verify whether the same behaviour could be observed in the isolated enzyme, we have purified the ATP synthase of E.coli and reconstituted it into liposomes. Similarly as observed in the internal membrane preparation, in the isolated and reconstituted enzyme it was possible to observe inhibition of the hydrolytic activity by ADP and Pi (with half-maximal effects at few µM for ADP and at 400 µM for Pi) with a concomitant stimulation of proton pumping. Both the inhibition of ATP hydrolysis and the stimulation of proton pumping as a function of Pi were lost upon ADP removal by an ADP trap. These data have made it possible to conclude that the results obtained in E.coli internal membranes are not due to the artefactual interference of enzymatic activities other than the ones of the ATP synthase. In addition, data obtained with liposomes have allowed a calibration of the ACMA signal by ΔpH transitions of known extent, leading to a quantitative evaluation of the proton pumping data. Finally, we have focused our efforts on searching for a possible structural candidate involved in the phenomenon of intrinsic uncoupling. The ε-subunit of the ATP-synthase is known as an endogenous inhibitor of the hydrolysis activity of the complex and appears to undergo drastic conformational changes between a non-inhibitory form (down-state) and an inhibitory form (up-state)(Rodgers & Wilce, 2000; Gibbons et al., 2000). In addition, the results of Cipriano & Dunn (2006) indicated that the C-terminal domain of this subunit played an important role in the coupling mechanism of the pump, and those of Capaldi et al. (2001), Suzuki et al. (2003) were consistent with the down-state showing a higher hydrolysis-to-synthesis ratio than the up-state. Therefore, we decided to search for modulation of pumping efficiency in a C-terminally truncated ε mutant. A low copy number expression vector has been built, carrying an extra copy of uncC, with the aim of generating an ε-overexpressing E.coli strain in which normal levels of assembly of the mutated ATP-synthase complex would be promoted. We have then compared the ATP hydrolysis and the proton pumping activity in membranes prepared from these ε-overexpressing E.coli strains, which carried either the WT ε subunit or the ε88-stop truncated form. Both strains yielded well energized membranes. Noticeably, they showed a marked difference in the inhibition of hydrolysis by Pi, this effect being largely lost in the truncated mutant. However, pre-incubation of the mutated enzyme with ADP at low nanomolar concentrations (apparent Kd = 0.7nM) restored the hydrolysis inhibition, together with the modulation of intrinsic uncoupling by Pi, indicating that, contrary to wild-type, during membrane preparation the truncated mutant had lost the ADP bound at this high-affinity site, evidently due to a lower affinity (and/or higher release) for ADP of the mutant relative to wild type. Therefore, one of the effects of the C-terminal domain of ε appears to be to modulate the affinity of at least one of the binding sites for ADP. The lack of this domain does not appear so much to influence the modulability of coupling efficiency, but instead the extent of this modulation. At higher preincubated ADP concentrations (apparent Kd = 117nM), the only observed effects were inhibition of both hydrolysis and synthesis, providing a direct proof that two ADP-binding sites on the enzyme are involved in the inhibition of hydrolysis, of which only the one at higher affinity also modulates the coupling efficiency.

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.

Reinigung und Coexpression von Enzymen der Raubasin-Biosynthese

Die vorgestellten Arbeiten bezüglich der Biosynthese von pflanzlichen Indolalkaloiden können in einen molekularbiologischen und einen proteinche-mischen Teil aufgegliedert werden. Im molekularbiologischen Abschnitt stand die Entwicklung eines Vektorsystems im Vordergrund, das die gleichzeitige Expression mehrerer Enzyme in bakteriellen Kulturen erlaubte. Hierfür konnte zunächst die cDNA der Strictosidin-Synthase aus Rauvolfia serpentina in den Expressionsvektor pQE-70 einkloniert und das Protein aktiv exprimiert werden. Bevor es zum Einbau des Strictosidin-β-D-Glucosidase-Gens –ebenfalls aus Rauvolfia serpentina– kam, musste dessen Aktivität mit einer vorgeschalteten Ribosomenbindestelle sichergestellt werden. Diese zusätzliche Binderegion wurde an das 5’-Ende der cDNA angefügt, um die ungestörte Expression des Enzyms im späteren Coexpressions-System zu gewährleisten. Im Hinblick auf weiterführende Arbeiten in Bezug auf die komplette in vitro-Synthese bereits bekannter Alkaloide, wie z.B. das antiarrhythmisch wirkende Ajmalin oder das antihypertensiv wirkende Heteroyohimbin-Alkaloid Raubasin, wurde die ursprüngliche multiple-clonig-site des verwendeten Expressionsvektors pQE-70 um 27 zusätzliche Restriktionsschnittstellen (verteilt auf 253 bp) erweitert. Nach erfolgreicher Ligation der Strictosidin-β-D-Glucosidase-cDNA mit vorgeschalteter Ribosomenbindestelle an das 3’-Ende des Strictosidin-Synthase-Gens gelang die heterologe Coexpression beider Enzyme in einer homogenen Suspensionskultur des E. coli-Expressionsstamms M15. Dafür wurde das Vektorkonstrukt pQE-70bh-STR-RBS-SG entwickelt. Das Endprodukt der anschließenden enzymatischen Umsetzung von Tryptamin und Secologanin wurde über das Zwischenrodukt Strictosidin gebildet und konnte als Cathenamin identifiziert werden. Im proteinchemischen Teil der Dissertation wurde die Reinigung einer Cathenamin-Reduktase aus Zellsuspensionskulturen von Catharanthus roseus RC mit dem Ziel der partiellen Bestimmung der Aminosäuresequenz bearbeitet. Das gesuchte Enzym wandelte in einer NADPH-abhängigen Reaktion das Edukt Cathenamin in Raubasin um. Des weiteren wurde untersucht, wie viele Enzyme insgesamt an der Umwandlung von Cathenamin zu Raubasin und den eng verwandten Produkten Tetrahydroalstonin und 19-Epi-Raubasin beteiligt waren. Unter Anwendung eines hierfür entwickelten säulenchromatographischen Protokolls gelang die Reinigung einer Raubasin-bildenden Reduktase, deren Teilsequenz jedoch noch nicht bestimmt werden konnte. Die Anzahl der beteiligten Enzyme bei der Ausbildung von Raubasin, Tetrahydroalstonin und 19-Epi-Raubasin konnte auf mindestens zwei beziffert werden.

Tetracycline-inducible RNAi Knockdown of SCL (Stem Cell Leukaemia) in Mice

RNAi (RNA interference) is a powerful technology for sequence-specific targeting of mRNAs. This thesis was aimed at establishing conditions for conditional RNAi-mediated silencing first in vitro and subsequently also in transgenic mice. As a target the basic helix-loop-helix transcription factor encoding gene SCL (stem cell leukaemia also known as Tal-1 or TCL5) was used. SCL is a key regulator for haematopoietic development and ectopic expression of SCL is correlated with acute T-lymphoblastic leukaemias. Loss of SCL function studies demonstrated that ab initio deletion of SCL resulted in embryonic lethality around day E9 in gestation. To be able to conditionally inactivate SCL, RNAi technology was combined with the tetracycline-dependent regulatory system. This strategy allowed to exogenously control the induction of RNAi in a reversible fashion and consequently the generation of a completely switchable RNAi knockdown. First a suitable vector allowing for co-expression of tetracycline-controlled shRNAs (small hairpin RNAs) and constitutively active EGFP (enhanced green fluorescent protein) was generated. This novel vector, pRNAi-EGFP, was then evaluated for EGFP expression and tetracycline-mediated expression of shRNAs. Four sequences targeting different regions within the SCL mRNA were tested for their efficiency to specifically knockdown SCL. These experiments were performed in M1 murine leukaemia cells and subsequently in the HEK 293 cell line, expressing an engineered HA-tagged SCL protein. The second assay provided a solid experimental method for determining the efficiency of different SCL-siRNA knockdown constructs in tissue culture. Western blotting analyses revealed a down regulation of SCL protein for all four tested SCL-specific target sequences albeit with different knockdown efficiencies (between 25% and 100%). Furthermore, stringent tetracycline-dependent switchability of shRNA expression was confirmed by co-transfecting the SCL-specific pRNAi-EGFP vector (SCL-siRNA) together with the HA-tagged SCL expression plasmid into the HEK 293TR /T-REx cell line constitutively expressing the tetracycline repressor (TetR). These series of experiments demonstrated tight regulation of siRNA expression without background activity. To be able to control the SCL knockdown in vivo and especially to circumvent any possible embryonic lethality a transgenic mouse line with general expression of a tetracycline repressor was needed. Two alternative methods were used to generate TetR mice. The first approach was to co-inject the tetracycline-regulated RNAi vector together with a commercially available and here specifically modified T-REx expression vector (SCL-siRNA T-REx FRT LoxP mouse line). The second method involved the generation of a TetR expressor mouse line, which was then used for donating TetR-positive oocytes for pronuclear injection of the RNAi vector (SCL-siRNA T-REx mouse line). As expected, and in agreement with data from conditional Cre-controlled adult SCL knockout mice, post-transcriptional silencing of SCL by RNAi caused a shift in the maturation of red blood cell populations. This was shown in the bone marrow and peripheral blood by FACS analysis with the red blood cell-specific TER119 and CD71 markers which can be used to define erythrocyte differentiation (Lodish plot technique). In conclusion this study established conditions for effective SCL RNAi-mediated silencing in vitro and in vivo providing an important tool for further investigations into the role of SCL and, more generally, of its in vivo function in haematopoiesis and leukaemia. Most importantly, the here acquired knowledge will now allow the establishment of other completely conditional and reversible knockdown phenotypes in mice.

Modulation of apoptosis by endogenously produced nitric oxide

Untersuchungen zur Expression der induzierbaren NO-Synthetase (NOS2) belegen eine häufige Expression dieses Enzyms in Tumoren unterschiedlicher Gewebe. Bislang ist jedoch ungeklärt, ob die Expression der NOS2 in Tumorzellen die apoptotische Eliminierung durch zytotoxische T-Zellen beeinflussen kann. In der vorliegenden Arbeit wurden die Folgen einer endogenen NO-Synthese auf die Apoptosesensitivität von HEK293-Zellen untersucht. Um primäre NO-Wirkungen von NO-induzierten, sekundären (kompensatorischen) Veränderungen zu trennen, wurde mit einem induzierbaren Vektorsystem gearbeitet. Die NOS2 wurde zunächst unter der Kontrolle eines Ecdyson-sensitiven Promoters in HEK293-Zellen kloniert. Es konnten regulierbare NOS2-Klone selektiert werden, die nach Ponasteronbehandlung dosisabhängig die NOS2 exprimieren und NO synthetisieren. Die NOS2-Expression wurde durch Western Blot Analyse und Immunfluoreszenzfärbung dargestellt und die NO-Produktion mit Hilfe der Griess-Reaktion gemessen. An den NOS2-induzierten Zellen wurde dann der Einfluss von NO auf die CD95-vermittelte Apoptose analysiert. Es zeigte sich nach Stimulation des CD95-Rezeptors eine deutliche Korrelation der Apoptoserate mit der NOS2-Expression. In Kokulturexperimenten mit Peptid-spezifischen zytotoxischen T-Zellen zeigte sich, dass NO-produzierende Zielzellen effektiver eliminiert werden konnten. Auch nach Behandlung der Zellen mit TRAIL ergab sich eine höhere Apoptoserate in NO-produzierenden Zellen. Die weitere Analyse der durch NO beeinflussten Signalwege ergab eine Beteiligung von ER-Stress-vermittelten Apoptosewegen. Dies zeigte sich an der Hochregulation des ER-Stress-Proteins Grp78 (BiP) nach NOS2-Expression und der Spaltung der am ER-lokalisierten Caspase-4. Darüber hinaus konnte der schnellere Verlust des mitochondrialen Membranpotentials in Abhängigkeit von der NOS2-Expression nachgewiesen werden. Weiterhin wurde die Wirkung einer dauerhaften NO-Exposition auf die Apoptosesensitivität der Zellen untersucht. Auch ohne zusätzliche CD95-Stimulation induzierte eine kontinuierliche NOS2-Expression nach wenigen Tagen in den EcR293-NOS2-Zellen Apoptose. Diese Dauerbehandlung führte zum nahezu vollständigen Absterben der Kulturen. Einige Zellen überlebten jedoch diese Behandlung und wuchsen zu Zellklonen. Diese NO-resistenten Klone konnten isoliert werden. Sie zeigten eine zusätzliche Resistenz für CD95-vermittelte Apoptosesignale und waren besser vor dem Angriff Peptid-spezifischer CTLs geschützt. Die Apoptoseresistenz blieb auch nach längerer Kultur erhalten und scheint auf NO-induzierter Genotoxizität zu beruhen. Anhand dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass allein durch chronische NO-Behandlung eine Selektion apoptoseresistenter Zellen stattfinden kann.

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

Untersuchungen zur Chemosensitivität von testikulären Tumorzellen gegenüber Cisplatin

Metastasierender Krebs ist bei Erwachsenen in der Regel nicht heilbar. Eine Ausnahme stellen testikuläre Keimzelltumoren (TKZT) dar, da über 75 % der Patienten mit fortgeschrittenen metastasierenden TKZT mit einer auf Cisplatin basierenden Kombinations-Chemotherapie geheilt werden können. Zelllinien, die aus TKZT isoliert wurden, behalten diese Cisplatin-Sensitivität in vitro bei. Somit spiegeln Testistumorzelllinien die klinische Situation wider und sind deswegen ein gutes Modellsystem um zu untersuchen, welche Faktoren der Cisplatin-Sensitivität zugrunde liegen. Die Ursachen der Cisplatin-Sensitivität in Testistumoren sind nicht bekannt. Es wurde bereits gezeigt, dass Testistumorzellen eine geringe Kapazität für die Entfernung von Cisplatin-induzierten DNA-Platinierungen aufweisen. Dieser Defekt in der DNA-Reparatur könnte ein Faktor für die beobachtete Cisplatin-Sensitivität sein. Cisplatin induziert sowohl Intrastrang-Vernetzungen als auch Interstrang-Vernetzungen (ICLs). Die Bildung und Reparatur der Cisplatin-induzierten Intrastrang-Vernetzungen wurde mittels DNA-Slot-Blot, die Bildung und Entfernung von Interstrang-Vernetzungen wurde mithilfe des Comet-Assays untersucht. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass die Reparatur von Intrastrang-Vernetzungen in Testis- und Blasentumorzelllinien vergleichbar ist. Somit sind Testistumorzellen in diesem Reparaturweg nicht beeinträchtigt. Im Unterschied dazu zeigte sich, dass Testistumorzellen die ICLs nicht oder nur mit einer reduzierten Kapazität entfernen können.Da die ICL-Reparatur über die Bildung von DNA-Doppelstrangbrüchen (DSB) mit anschließender DSB-Reparatur verläuft, wurde die Kinetik der DSB-Reparatur anhand der Immundetektion der Histon-Variante γH2AX, die zur Visualisierung von DSB verwendet wird, verfolgt. γH2AX Foci wurden nach Behandlung mit Cisplatin in Testistumorzellen und Blasentumorzellen gebildet. Anders als in Blasentumorzellen blieb der Prozentsatz an γH2AX-positiven Zellen in Testistumorzellen bestehen. Offensichtlich konnten die Testistumorzellen die Cisplatin-induzierten ICLs nicht korrekt prozessieren, was dazu führte, dass γH2AX Foci persistierten. Da unreparierte DNA-Läsionen eine DNA-schadensabhängige Antwort einleiten können, wurde die Aktivierung der Hauptfaktoren dieser Signalwege untersucht. In den Testistumorzellen zeigte sich eine Erhöhung der p53 Proteinmenge nach Cisplatin-Behandlung. Des Weiteren wurde die durch Cisplatin induzierte Aktivierung von ATM/ATR, Chk1/Chk2, Bax und Noxa in Testis- und Blasentumorzellen vergleichend untersucht. Es wurde bereits gezeigt, dass der Reparaturfaktor ERCC1-XPF in Testistumorzelllinien reduziert vorliegt. Um eine mögliche Rolle von ERCC1-XPF für die Reparatur-Defizienz der ICLs und Cisplatin-Sensitivität in Testistumorzellen zu analysieren, wurde ERCC1-XPF in der Testistumorenzelllinie 833K mithilfe eines Expressionsvektors überexprimiert, und der Einfluss von ERCC1-XPF auf ICL-Reparatur sowie Cisplatin-Sensitivität wurde ermittelt. Überexpression von ERCC1-XPF führte zur Reparatur der ICLs in 833K-Zellen und verminderte die Cisplatinsensitivität. Somit scheint die Cisplatinsensitivität der Testistumorzellen, zumindest zum Teil, auf einer verminderten ICL-Reparatur zu beruhen. Des Weiteren wurde in „proof of principle“ Experimenten ERCC1-XPF in der Cisplatin-resistenten Blasentumorzelllinie MGH-U1 mittels siRNA herunterreguliert, und die Auswirkung der Herunterregulation auf die ICL-Reparatur und die Cisplatinsensitivität wurde geprüft. RNA-Interferenz-vermittelte Herunterregulierung von ERCC1-XPF reduzierte die Prozessierung der Cisplatin-induzierten ICLs und verstärkte die Cisplatinsensitivität in MGH-U1 Zellen. Somit wurde in dieser Arbeit zum ersten Mal gezeigt, dass die Testistumorzellen in Vergleich zu Blasentumorzellen in der Reparatur von ICLs defizient sind, wobei die verminderte ICL-Reparatur auf die geringe Expression von ERCC1-XPF zurückgeführt werden konnte. Diese ICL-Reparatur-Defizienz könnte, zumindest zu einem Teil, für die Sensitivität der Testistumoren gegenüber Cisplatin verantwortlich sein.

The cytochrome P450 aromatase lacking exon 5 is associated with a phenotype of nonclassic aromatase deficiency and is also present in normal human steroidogenic tissues

OBJECTIVE: The previously described c655G>A mutation of the human cytochrome P450 aromatase gene (P450aro, CYP19) results in aberrant splicing due to disruption of a donor splice site. To explain the phenotype of partial aromatase deficiency observed in a female patient described with this mutation, molecular consequences of the c655G>A mutation were investigated. DESIGN: To investigate whether the c655G>A mutation causes an aberrant spliced mRNA lacking exon 5 (-Ex5), P450aro RNA was analysed from the patient's lymphocytes by reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) and by splicing assays performed in Y1 cells transfected with a P450aro -Ex5 expression vector. Aromatase activity of the c655G>A mutant was predicted by three dimensional (3D) protein modelling studies and analysed in transiently transfected Y1 cells. Exon 5 might be predicted as a poorly defined exon suggesting a susceptibility to both splicing mutations and physiological alternative splicing events. Therefore, expression of the -Ex5 mRNA was also assessed as a possibly naturally occurring alternative splicing transcript in normal human steroidogenic tissues. PATIENTS: An aromatase deficient girl was born with ambiguous genitalia. Elevated serum LH, FSH and androgens, as well as cystic ovaries, were found during prepuberty. At the age of 8.4 years, spontaneous breast development and a 194.6 pmol/l serum oestradiol level was observed. RESULTS: The -Ex5 mRNA was found in lymphocytes of the P450aro deficient girl and her father, who was a carrier of the mutation. Mutant minigene expression resulted in complete exon 5 skipping. As expected from 3D protein modelling, -Ex5 cDNA expression in Y1 cells resulted in loss of P450aro activity. In addition, the -Ex5 mRNA was present in placenta, prepubertal testis and adrenal tissues. CONCLUSIONS: Alternative splicing of exon 5 of the CYP19 gene occurs in the wild type (WT) as well as in the c655G>A mutant. We speculate that for the WT it might function as a regulatory mechanism for aromatization, whereas for the mutant a relative prevalence of the shorter over the full-length protein might explain the phenotype of partial aromatase deficiency.

Bacteriorhodopsin protein hybrids for chemical and biological sensing

Bacteriorhodopsin (bR), an optoelectric protein found in Halobacterium salinarum, has the potential for use in protein hybrid sensing systems. Bacteriorhodopsin has no intrinsic sensing properties, however molecular and chemical tools permit production of bR protein hybrids with transducing and sensing properties. As a proof of concept, a maltose binding protein-bacteriorhodopsin ([MBP]-bR) hybrid was developed. It was proposed that the energy associated with target molecule binding, maltose, to the hybrid sensor protein would provide a means to directly modulate the electrical output from the MBP-bR bio-nanosensor platform. The bR protein hybrid is produced by linkage between bR (principal component of purified purple membrane [PM]) and MBP, which was produced by use of a plasmid expression vector system in Escherichia coli and purified utilizing an amylose affinity column. These proteins were chemically linked using 1-ethyl-3-[3-dimethylaminopropyl]carbodiimide hydrochloride (EDC) and N-hydroxysuccinimide (NHS), which facilitates formation of an amide bond between a primary carboxylic acid and a primary amine. The presence of novel protein hybrids after chemical linkage was analyzed by SDSPAGE. Soluble proteins (MBP-only derivatives and unlinked MBP) were separated from insoluble proteins (PM derivatives and unlinked PM) using size exclusion chromatography. The putatively identified MBP-bR protein hybrid, in addition to unlinked bR, was collected. This sample was normalized for bR concentration to native PM and both were deposited onto indium tin oxide (ITO) coated glass slides by electrophoretic sedimentation. The photoresponse of both samples, activated using 100 Watt tungsten lamp at 10 cm distance, were equal at 175 mV. Testing of deposited PM with 1 mM sucrose or 1 mM maltose showed no change in the photoresponse of the xiv material, however addition of 1 mM maltose to the deposited MBP-bR linked hybrid material elicited a 57% decrease in photoresponse indicating a positive response for targeting of maltose. This chemically linked MBP-bR hybrid protein, with bacteriorhodopsin, as a photoresponsive transducing substrate, shows promise for creation of a universal sensing array by attachment of other pertinent sensing materials, in lieu of the maltose binding protein utilized. This strategy would allow significant reduction in sensor size, while increasing responsiveness and sensitivity at nano and picomolar levels.

Genetic and physical analysis of the bacteriophage P22 tail protein

A plasmid based genetic system was developed for the tail protein of the Salmonella typhimurium bacteriophage P22 and used to isolate and characterize tail protein mutants. The tail protein is a trimeric structural protein of the phage and an endorhamnosidase whose activity is essential for infection. The gene for the tail protein has previously been cloned into a plasmid expression vector and sequenced. A plate complementation assay for tail protein produced from the cloned gene was developed and used to isolate 27 tail protein mutants following mutagenesis of the cloned gene. These mutations were mapped into 12 deletion intervals using deletions which were made on plasmids in vitro and crossed onto P22. The base substitutions were determined by DNA sequencing. The majority of mutants had missense or nonsense mutations in the protein coding portion of the gene; however four of the mutants were in the putative transcription terminator. The oligomeric state of tail protein from the 15 missense mutants was investigated using SDS and nondenaturing polyacrylamide gel electrophoresis of cell lysates. Wild-type tail protein retains its trimeric structure in SDS gels at room temperature. Two of the mutant proteins also migrated as trimers in SDS gels, yet one of these had a considerably faster mobility than wild-type trimer. Its migration was the same as wild-type in a nondenaturing gel, so it is thought to be a trimer which is partially denatured by SDS. Four of the mutants produced proteins which migrate at the position of a monomer in an SDS gel but cannot be seen on a nondenaturing gel. These proteins are thought to be either monomers or soluble aggregates which cannot enter the nondenaturing gel. The remainder of mutants produce protein which is degraded. The mutant tail protein which had normal trimeric mobility on SDS and nondenaturing gels was purified. This protein has essentially wild-type ability to attach to phage capsids, but its endorhamnosidase activity is only 4% of wild-type. ^

Studies on the muscle-specific regulatory protein myogenin

Recently, a family of muscle-specific regulatory factors that includes myogenin, myoD, myf-5, and MRF-4 has been identified. They share a high degree of homology within a region that contains a basic and helix-loop-helix domain. Transfection of many non-muscle cell types with any one of these genes results in the activation of the entire myogenic program. To explore the mechanism through which myogenin regulates myogenesis, we have prepared antibodies against peptides specific to myogenin. Using these antibodies we show that myogenin is a 32 Kd phospho-protein which is localized to the nuclei of muscle cells. In vitro, myogenin oligomerizes with the ubiquitous enhancer binding factor E12, and acquires high affinity for an element of the core of the muscle creatine kinase (MCK) enhancer that is conserved among many muscle-specific genes. Myogenin synthesized in BC$\sb3$H1 and C2 muscle cell lines also binds to the same site in the enhancer. However, the MCK enhancer is not activated in 10T1/2 fibroblasts which have been transfected with a constitutive myogenin expression vector until growth factors have been removed from the media. This result indicates that mitogenic signals block the actions of myogenin.. Mutagenesis of the myogenin/E12 binding site in the MCK enhancer abolishes binding of the hetero-oligomer and prevents trans-activation of the enhancer by myogenin. By site directed mutagenesis of myogenin we have shown that the basic region consists of three clusters of basic residues, two of which are required for binding and activation of the myogenic program. Myogenic activation, but not DNA binding, is lost when the 10 residue region between the two required basic clusters is substituted with the corresponding region from E12, which also contains a similar basic and helix-loop-helix domain. Functional revertants of this substitution mutant have identified two amino acids which confer muscle specificity. The properties of myogenin suggest that it functions as a sequence-specific DNA binding factor that interacts directly with muscle-specific genes during myogenesis and contains within its basic domain a region which imparts myogenic activation and is separable from DNA binding. ^

Transcriptional regulation and functional analysis of the human Wilms' tumor 1 gene

The Wilms' tumor 1 gene (WT1) encodes a zinc-finger transcription factor and is expressed in urogenital, hematopoietic and other tissues. It is expressed in a temporal and spatial manner in both embryonic and adult stages. To obtain a better understanding of the biological function of WT1, we studied two aspects of WT1 regulation: one is the identification of tissue-specific cis-regulatory elements that regulate its expression, the other is the downstream genes which are modulated by WT1.^ My studies indicate that in addition to the promoter, other regulatory elements are required for the tissue specific expression of this gene. A 259-bp hematopoietic specific enhancer in intron 3 of the WT1 gene increased the transcriptional activity of the WT1 promoter by 8- to 10-fold in K562 and HL60 cells. Sequence analysis revealed both GATA and c-Myb motifs in the enhancer fragment. Mutation of the GATA motif decreased the enhancer activity by 60% in K562 cells. Electrophoretic mobility shift assays showed that both GATA-1 and GATA-2 proteins in K562 nuclear extracts bind to this motif. Cotransfection of the enhancer containing reporter construct with a GATA-1 or GATA-2 expression vector showed that both GATA-1 and GATA-2 transactivated this enhancer, increasing the CAT reporter activity 10-15 fold and 5-fold respectively. Similar analysis of the c-Myb motif by cotransfection with the enhancer CAT reporter construct and a c-Myb expression vector showed that c-Myb transactivated the enhancer by 5-fold. A DNase I-hypersensitive site has been identified in the 258 bp enhancer region. These data suggest that GATA-1 and c-Myb are responsible for the activity of this enhancer in hematopoietic cells and may bind to the enhancer in vivo. In the process of searching for cis-regulatory elements in transgenic mice, we have identified a 1.0 kb fragment that is 50 kb downstream from the promoter and is required for the central nervous system expression of WT1.^ In the search for downstream target genes of WT1, we noted that the proto-oncogene N-myc is coexpressed with the tumor suppressor gene WT1 in the developing kidney and is overexpressed in many Wilms' tumors. Sequence analysis revealed eleven consensus WT1 binding sites located in the 1 kb mouse N-myc promoter. We further showed that the N-myc promoter was down-regulated by WT1 in transient transfection assays. Electrophoretic mobility shift assays showed that oligonucleotides containing the WT1 motifs could bind WT1 protein. Furthermore, a Denys-Drash syndrome mutant of WT1, R394W, that has a mutation in the DNA binding domain, failed to repress the N-myc promoter. This suggests that the repression of the N-myc promoter is mediated by DNA binding of WT1. This finding helps to elucidate the relationship of WT1 and N-myc in tumorigenesis and renal development. ^

A genetically engineered, adherent smooth muscle cell lining for left ventricular assist devices

Due to the clinical success of left ventricular assist devices (LVADs) used for short term "bridge to transplant" and the limited availability of donor organs, heart assist devices are being considered for long term implantation as an alternative to heart transplantation. In an effort to improve biocompatibility, a nonthrombogenic cellular lining was developed from genetically engineered smooth muscle cells (GE-SMC) for the Thermocardiosystems Heartmate$\sp{\rm TM}$ LVAD. SMCs have been transduced with the genes for endothelial nitric oxide synthase (NOS III) and GTP cyclohydrolase (GTPCH) with subsequent stable expression of the NOS III protein via an Epstein Barr based DNA expression vector. Transduced SMCs produce nitric oxide at concentrations that reduce platelet deposition and smooth muscle cell proliferation when tested in vitro. In addition, the adhesive capabilities of GE-SMC linings were also examined, and optimized in physical environments mimicking typical in vivo LVAD operation. Preliminary investigations examining cell adhesion during constant shear stress exposure demonstrated an acute phase of cell loss corresponding to cytoskeletal F-actin rearrangement. Subsequently, an in vitro circulatory loop was designed to expose cell lined LVADs to in vivo operating conditions. Cumulative cell loss from cell lined LVADs was less than 10% after 24 hours of flow. Using a protocol for "preconditioning" the cell lining within the mock circulatory loop, the first implantation of an LVAD containing a genetically engineered SMC lining was successfully implemented in a bovine model. Results from this 24 hour study indicate that the flow-conditioned cellular lining remained intact with no evidence of thromboembolization and only minimal changes in coagulation studies. ^