Structure of the haptoglobin-haemoglobin complex

Red cell haemoglobin is the fundamental oxygen-transporting molecule in blood, but also a potentially tissue-damaging compound owing to its highly reactive haem groups. During intravascular haemolysis, such as in malaria and haemoglobinopathies(1), haemoglobin is released into the plasma, where it is captured by the protective acute-phase protein haptoglobin. This leads to formation of the haptoglobin-haemoglobin complex, which represents a virtually irreversible non-covalent protein-protein interaction(2). Here we present the crystal structure of the dimeric porcine haptoglobin-haemoglobin complex determined at 2.9 angstrom resolution. This structure reveals that haptoglobin molecules dimerize through an unexpected beta-strand swap between two complement control protein (CCP) domains, defining a new fusion CCP domain structure. The haptoglobin serine protease domain forms extensive interactions with both the alpha- and beta-subunits of haemoglobin, explaining the tight binding between haptoglobin and haemoglobin. The haemoglobin-interacting region in the alpha beta dimer is highly overlapping with the interface between the two alpha beta dimers that constitute the native haemoglobin tetramer. Several haemoglobin residues prone to oxidative modification after exposure to haem-induced reactive oxygen species are buried in the haptoglobin-haemoglobin interface, thus showing a direct protective role of haptoglobin. The haptoglobin loop previously shown to be essential for binding of haptoglobin-haemoglobin to the macrophage scavenger receptor CD163 (ref. 3) protrudes from the surface of the distal end of the complex, adjacent to the associated haemoglobin alpha-subunit. Small-angle X-ray scattering measurements of human haptoglobin-haemoglobin bound to the ligand-binding fragment of CD163 confirm receptor binding in this area, and show that the rigid dimeric complex can bind two receptors. Such receptor cross-linkage may facilitate scavenging and explain the increased functional affinity of multimeric haptoglobin-haemoglobin for CD163 (ref. 4).

Wasserstoffbrücken-gebundene Netzwerke

Die supramolekularen Organisationen von 5-n-Alkoxyisophthaläuren und 2,5-Di-n-alkoxyterephthalsäuren bilden durch sekundäre Wechselwirkungen in Form van der Waals-Kräften und Wasserstoffbrückenbindungen hochgeordnete lamellare Strukturen, die sowohl mittels Röntgen-kristallgraphie als auch durch Rastertunnelmikroskopie (STM) visualisierbar sind. Diese Art der Aggregationsmuster ermöglicht den potentiell reaktiven Gruppen (Diacetylene, Zimtsäuren) in der Alkoxykette, einen optimalen Abstand und geometrische Orientierungen im Kristall einzunehmen, um lichtinduzierte Reaktionen im Festkörper durchzuführen. Einführung einer Amidgruppe an die Alkoxykette erweitert dieses Konzept, durch Erhalt einer zusätzlichen Wasserstoffbrückenbindung im hydrophoben Bereich der Organisation.Die Stabilität solche supramolekularer Aggregate kann durch Einführung semifluorierter Alkoxyketten stark beeinflußt werden, da die Inkompatibilität der pefluorierten Gruppen durch viele organische Verbindungen das Gleichgewicht nicht-kovalenter Wechselwirkung drastisch verändert. Diese Eigenschaft der semifluorierten 5-n-Alkoxyisopthalsäuren und 2,5-Di-n-alkoxyterephthalsäuren zeigt sich erstaunlicherweise jedoch nur bei einem großen Anteil des perfluorierten Alkylteils als der des nicht-perfluorierten. Da sich dann die perfluorierten Alkylteile untereinander organisieren können, erscheint die Änderung der Assoziationsstruktur von interdigitiert-lamellar zu nicht-interdigitiert-lamellar plausibel.Das gezielte Design eines neuen Organisationsmusters der 5-n-Alkoxyisophthalsäuren gelang durch Brechung der Symmetrie dieses Bausteins. Die Einführung zweier Alkoxyketten ließ die zweidimensionale Anordnung der wasserstoffbrückengebundenen Aromate unverändert, resultierte aber mit Ausbruch einer Alkoxykette aus dieser Ebene.

Composti organostannici nell'ambiente marino e membrane biologiche: risposte molecolari e biochimiche nei molluschi bivalvi

Organotin compounds are worldwide diffused environmental contaminants, mainly as consequence of their extensive past use as biocides in antifouling paints. In spite of law restrictions, due to unwanted effects, organotin still persist in waters, being poorly degraded, easily resuspended from sediments and bioaccumulated in exposed organisms. The widespread toxicity and the possible threat to humans, likely to be organotin-exposed through contaminated seafood, make organotin interactions with biomolecules an intriguing biochemical topic, apart from a matter of ecotoxicological concern. Among organotins, tributyltin (TBT) is long known as the most dangerous and abundant chemical species in the Mediterranean Sea. Due to its amphiphilic nature, provided by three lipophilic arms and an electrophilic tin core, TBT can be easily incorporated in biomembranes and affect their functionality. Accordingly, it is known as a membrane-active toxicant and a mitochondrial poison. Up to now the molecular action modes of TBT are still partially unclear and poorly explored in bivalve mollusks, even if the latter play a not neglectable role in the marine trophic chain and efficiently accumulate organotins. The bivalve mollusk Mytilus galloprovincialis, selected for all experiments, is widely cultivated in the Mediterranean and currently used in ecotoxicological studies. Most work of this thesis was devoted to TBT effects on mussel mitochondria, but other possible targets of TBT were also considered. A great deal of literature points out TBT as endocrine disrupter and the masculinization of female marine gastropods, the so-called imposex, currently signals environmental organotin contamination. The hormonal status of TBT-exposed mussels and the possible interaction between hormones and contaminants in modulating microsomal hydroxilases, involved in steroid hormone and organotin detoxification, were the research topics in the period spent in Barcelona (Marco Polo fellowship). The variegated experimental approach, which consisted of two exposure experiments and in vitro tests, and the choice of selected tissues of M. galloprovincialis, the midgut gland for mitochondrial and microsomal preparations for subsequent laboratory assays and the gonads for the endocrine evaluations, aimed at drawing a clarifying pattern on the molecular mechanisms involved in organotin toxicity. TBT was promptly incorporated in midgut gland mitochondria of adult mussels exposed to 0.5 and 1.0 μg/L TBT, and partially degraded to DBT. TBT incorporation was accompanied by a decrease in the mitochondrial oligomycin-sensitive Mg-ATPase activity, while the coexistent oligomycin-insensitive fraction was unaffected. Mitochondrial fatty acids showed a clear rise in n-3 polyunsaturated fatty acids after 120 hr of TBT exposure, mainly referable to an increase in 22:6 level. TBT was also shown to inhibit the ATP hydrolytic activity of the mitochondrial F1FO complex in vitro and to promote an apparent loss of oligomycin sensitivity at higher than 1.0 μM concentration. The complex dose-dependent profile of the inhibition curve lead to the hypothesis of multiple TBT binding sites. At lower than 1.0 μM TBT concentrations the non competitive enzyme inhibition by TBT was ascribed to the non covalent binding of TBT to FO subunit. On the other hand the observed drop in oligomycin sensitivity at higher than 1.0 μM TBT could be related to the onset of covalent bonds involving thiolic groups on the enzyme structure, apparently reached only at high TBT levels. The mitochondrial respiratory complexes were in vitro affected by TBT, apart from the cytocrome c oxidase which was apparently refractory to the contaminant. The most striking inhibitory effect was shown on complex I, and ascribed to possible covalent bonds of TBT with –SH groups on the enzyme complexes. This mechanism, shouldered by the progressive decrease of free cystein residues in the presence of increasing TBT concentrations, suggests that the onset of covalent tin-sulphur bonds in distinct protein structures may constitute the molecular basis of widespread TBT effects on mitochondrial complexes. Energy production disturbances, in turn affecting energy consuming mechanisms, could be involved in other cellular changes. Mussels exposed to a wide range of TBT concentrations (20 - 200 and 2000 ng/L respectively) did not show any change in testosterone and estrogen levels in mature gonads. Most hormones were in the non-biologically active esterified form both in control and in TBT-treated mussels. Probably the endocrine status of sexually mature mussels could be refractory even to high TBT doses. In mussel digestive gland the high biological variability of microsomal 7-benzyloxy-4-trifluoromethylcoumarin-O-Debenzyloxylase (BFCOD) activity, taken as a measure of CYP3A-like efficiency, probably concealed any enzyme response to TBT exposure. On the other hand the TBT-driven enhancement of BFCOD activity in vitro was once again ascribed to covalent binding to thiol groups which, in this case, would stimulate the enzyme activity. In mussels from Barcelona harbour, a highly contaminated site, the enzyme showed a decreased affinity for the 7-benzyloxy-4-trifluoromethylcoumarin (BCF) substrate with respect to mussel sampled from Ebro Delta, a non-polluted marine site. Contaminant exposure may thus alter the kinetic features of enzymes involved in detoxification mechanisms. Contaminants and steroid hormones were clearly shown to mutually interact in the modulation of detoxification mechanisms. The xenoestrogen 17α-ethylenyl estradiol (EE2) displayed a non-competitive mixed inhibition of CYP3A-like activity by a preferential bond to the free enzyme both in Barcelona harbour and Ebro Delta mussels. The possible interaction with co-present contaminants in Barcelona harbour mussels apparently lessened the formation of the ternary complex enzyme-EE2-BCF. The whole of data confirms TBT as membrane toxicant in mussels as in other species and stresses TBT covalent binding to protein thiols as a widespread mechanism of membrane-bound-enzyme activity modulation by the contaminant.

Synthetic strategies of new molecular paramagnetic mechanically-interlocked complexes

Supramolecular chemistry is a multidisciplinary field which impinges on other disciplines, focusing on the systems made up of a discrete number of assembled molecular subunits. The forces responsible for the spatial organization are intermolecular reversible interactions. The supramolecular architectures I was interested in are Rotaxanes, mechanically-interlocked architectures consisting of a "dumbbell shaped molecule", threaded through a "macrocycle" where the stoppers at the end of the dumbbell prevent disassociation of components and catenanes, two or more interlocked macrocycles which cannot be separated without breaking the covalent bonds. The aim is to introduce one or more paramagnetic units to use the ESR spectroscopy to investigate complexation properties of these systems cause this technique works in the same time scale of supramolecular assemblies. Chapter 1 underlines the main concepts upon which supramolecular chemistry is based, clarifying the nature of supramolecular interactions and the principles of host-guest chemistry. In chapter 2 it is pointed out the use of ESR spectroscopy to investigate the properties of organic non-covalent assemblies in liquid solution by spin labels and spin probes. The chapter 3 deals with the synthesis of a new class of p-electron-deficient tetracationic cyclophane ring, carrying one or two paramagnetic side-arms based on 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl (TEMPO) moiety. In the chapter 4, the Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition is exploited to synthesize rotaxanes having paramagnetic cyclodextrins as wheels. In the chapter 5, the catalysis of Huisgen’s cycloaddition by CB[6] is exploited to synthesize paramagnetic CB[6]-based [3]-rotaxanes. In the chapter 6 I reported the first preliminary studies of Actinoid series as a new class of templates in catenanes’ synthesis. Being f-block elements, so having the property of expanding the valence state, they constitute promising candidates as chemical templates offering the possibility to create a complex with coordination number beyond 6.

Phosphonic acid-containing molecules as proton conductors and linkers for hybrid materials

In dieser Arbeit werden zwei Arten von nicht-kovalent verknüpften Netzwerkstrukturen vorgestellt, die aus phosphonsäurehaltigen Molekülen aufgebaut sind. Einerseits sollen diese phosphonsäurehaltigen Moleküle als Protonenleiter in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Dies ist durch die Möglichkeit des kooperativen Protonentransports in wasserstoffbrückenhaltigen Netzwerken begründet. Auf der anderen Seite sollen die phosphonsäurehaltigen Moleküle unter Einsatz von Metallkationen zur Darstellung ionischer Netzwerke verwendet werden. In diesem Fall fungieren die phosphonierten Moleküle als Linker in porösen organisch-anorganischen Hybridmaterialien, die sich beispielsweise zur Gasspeicherung eignen.rnEine Brennstoffzelle stellt Energie mit hoher Effizienz und geringer Umweltbelastung bereit. Das Herzstück der Brennstoffzelle ist die Elektrolytmembran, die auch als Separator oder Protonenaustauschmembran (PEM) bezeichnet wird. Es wird davon ausgegangen, daß der Schlüssel zur Weiterentwicklung der PEM-Brennstoffzellen in der Entwicklung von Elektrolyten liegt, die ausschließlich und effizient Protonen transportieren und darüber hinaus chemisch (oxidationsbeständig) und mechanisch stabil sind. Die mechanische Stabilität betrifft insbesondere den Betrieb der Brennstoffzelle bei hohen Temperaturen und niedriger relativer Feuchtigkeit. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz zum Erreichen eines hohen Protonentransports im Festkörper vorgestellt, der auf dem Einsatz kleiner Moleküle beruht, die durch Selbstorganisation eine kontinuierliche protonenleitende Phase erzeugen. Bis jetzt stellt Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol das erste Beispiel eines kristallinen Protonenleiters dar, der im festen Zustand eine hohe und konstante Leistung zeigt. Die Modifizierung von Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol, entweder durch Änderung von para- zu meta-Substitution oder die Einführung von Alkylketten, führt zu Verbindungen geringerer Kristallinität und niedriger Protonenleitfähigkeit.rnIm zweiten Teil der Arbeit wurde 1,3,5-Tris(p-phosphonatophenyl)benzol als Linker in der Synthese von offenen Phosphonat-Netzwerken eingesetzt. Es bilden sich aufgrund der ionischen Wechselwirkung zwischen den positiv geladenen Metallkationen und den negativ geladenen Phosphonsäuregruppen hochstabile Feststoffe. Eines der wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit besteht darin, daß 1,3,5-Tris(p-phosphonatophenyl)benzol als Linker zum Aufbau poröser Hybridmaterialien eingesetzt werden kann. Zum ersten Mal wurde ein dreifach phosphoniertes organisches Molekül zum Aufbau mikroporöser offener Phosphonat-Netzwerke verwendet. Zudem konnte gezeigt werden, daß die Porosität mit dem Wachstumsmechanismus dieser Materialien zusammenhängt. Es ist nur dann möglich ein gleichfalls mikroporöses und kristallines ionisches Netzwerk auf der Grundlage phosphonierter Moleküle zu erhalten, wenn Linker und Konnektor die gleiche Geometrie und Funktionalität besitzen.rn

Einfluss verschiedener nanopartikulärer Systeme auf die zelluläre Aufnahme und Zytotoxizität

Die vorliegende Dissertation untersucht Nanopartikel und Nanokapseln aus verschiedenen Materialien mit verschiedenen Modifikationen für einen zielgerichteten Medikamententransport (Drug Targeting). Obwohl bisher zahlreiche Nanopartikel und -kapseln synthetisiert wurden, besteht nach wie vor hinsichtlich der zellulären Verträglichkeit, Biokompatibilität und Aufnahme kein allumfassendes Verständnis. Mit Hilfe der in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen und Ergebnissen soll ein Beitrag zur Schließung dieser Lücke geleistet werden.rnIm Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde der Einfluss der Herstellungsmaterialien PS, PLLA, PMMA, Biomakromoleküle (BSA, DNA), ggf. stabilisiert durch HPMA-LMA-Copolymere und neu-synthetisierte Surfmere, der Formmodifikationen Streckung und Kristallisierung, der Oberflächenmodifikationen mittels verschiedener Tenside und PEG auf die zelluläre Aufnahme und Verträglichkeit hin untersucht.rnZusammenfassend lässt sich die Aussage treffen, dass zahlreiche Materialien zur Herstellung von Trägersystemen geeignet sind und sich als biokompatibel und nicht-zytotoxisch erwiesen haben, sich jedoch stark hinsichtlich der Aufnahmeeffizienz in verschiedene Zelllinien unterscheiden. rnIm ersten Abschnitt (Kapitel 5.1) wurden in der ersten und zweiten Untersuchung auf allgemeine Parameter, die die Aufnahme von Nanopartikeln beeinflussen, eingegangen. Hier wurde der Einfluss des Alters von PLLA-Partikeln auf die zelluläre Aufnahme und Toxizität untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit zunehmender Materialalterung die zelluläre Aufnahme abnimmt. Eine Zytotoxizität konnte nicht gezeigt werden.rnWeiterhin wurde der Einfluss des FCS-Gehalts des Zell-Mediums auf die zelluläre Aufnahme von PMMA-Partikeln untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit einer steigenden FCS-Konzentration eine Abnahme der zellulären Aufnahme von PMMA-Partikeln einhergeht. Die höchste zelluläre Aufnahme konnte bei einem FCS-Gehalt des Zellmediums von 0,05% verzeichnet werden. rnIm zweiten Abschnitt (Kapitel 5.2) wurde die Stabilisierung von Nanopartikeln mittels neusynthetisierter Tenside und deren Einfluss auf die Zelle-Nanopartikel-Interaktionen untersucht. Dazu wurde zum einen die Oberflächenfunktionalisierung von Nanopartikeln mit Hilfe neu-synthetisierter „Surfmere“ und deren Einfluss auf die zelluläre Aufnahme und Toxizität untersucht. Die hergestellten Surfmere bewirken gleichzeitig eine Stabilisierung und Funktionalisierung der Nanopartikeloberfläche mit Phosphonatgruppen. Hier wurden kovalente „Surfmer“ stabilisierte Nanopartikel mit Tensid- (SDP) stabilisierten Nanopartikeln verglichen. Zudem wurden dialysierte Nanopartikel mit nicht-dialysierten verglichen. Bezüglich der zellulären Aufnahme konnte für die mittels Dialyse gereinigten Nanopartikel eine gute Aufnahme ohne Unterschiede zwischen den kovalent und nicht-kovalent Phosphonat-funktionalisierten Partikeln beobachtet werden. Die ungereinigten, SDP-stabilisierte, nicht-kovalent gebundene Nanopartikel zeigten hingegen eine bis zu 30% stärkere Aufnahme in die HeLa-Zellen und hMSCs.rnWeiterhin der Einsatz von mit HPMA-LMA-Copolymeren stabilisierte Polystyrol- und PLLA-Partikel, die den Einsatz von Tensiden während des Miniemulsionsprozesses überflüssig machen, untersucht. Auch hier konnte keine Zytotoxizität nachgewiesen werden. Die Aufnahme in HeLa-Zellen scheint mehr von der Größe der Nanopartikel als vom verwendeten Material und in hMSCs mehr von den Oberflächeneigenschaften der Nanopartikel abzuhängen.rnIm dritten Abschnitt (Kapitel 5.3) wird auf die Möglichkeit der Formmodifikation von Polystyrol-Partikeln und deren Einfluss auf die Nanopartikel-Zelle-Interaktionen eingegangen. Es geht dabei um die Aufnahme und Zytotoxizität von verstreckten (elongierten) Polystyrol-Partikeln im Vergleich zu sphärischen Nanopartikeln, sowie die Aufnahme und Zytotoxizität von kristallinen Polystyrol-Partikeln in verschiedene Zelllinien. Bei den verstreckten Partikeln nimmt die Aufnahme-Effizienz in HeLa-Zellen und hMSCs mit zunehmender Verstreckung ab. Eine Zytotoxizität konnte für keinen der erwähnten Nanopartikel nachgewiesen werden. Bei den Polystyrol-Partikeln unterschiedlicher Taktizität zeigen die kristallierten Polystyrol-Partikel eine geringfügig besser Aufnahme-Rate als die nicht-kristallierten Polystyrol-Partikel. Dabei zeigen die nach dem Herstellungsprozess mittels der Lösemittelverdampfungstechnik der wässrigen Phase entnommenen Partikel eine bessere Aufnahme als die nach der Verdampfung des Chloroforms verfügbaren Partikel. Insgesamt konnte jedoch für alle Polystyrol-Partikel trotz der unterschiedlichen Taktizitäten nach der Aufnahme in HeLa-Zellen und hMSCs mittels Durchflusszytometrie hohe Fluoreszenz-Intensitäten verzeichnet werden. Setzt man hohe Fluoreszenz-Intensitäten bei in Zellen aufgenommenen Partikeln mit guten Aufnahmeraten gleich, sind die hier dargestellten Aufnahmeraten als sehr gut zu bezeichnen. rnAuf Nanosysteme mit einer reduzierten zellulären Aufnahme wird im letzten Abschnitt (Kapitel 5.4) eingegangen. Dabei wird zum einen die unterschiedliche Oberflächenmodifikation von Polystyrol-Partikeln mit dem Co-Monomer PEG-MA und den Tensiden SDS und Lutensol AT50 untersucht. Von PEG-MA wurden zudem verschiedene Molekulargewichte (Mn=300 g•mol-1 und Mn=2080 g•mol-1) und verschiedene Konzentrationen (1,5%, 5%, 10%) eingesetzt. Ein Teil der Partikel wurde mit SDS und der andere Teil mit Lutensol AT50 hergestellt. In einem weiteren Schritt wurde das jeweilig gegenteilige Tensid (statt SDS Lutensol AT50 und umgekehrt) eingesetzt, um zu überprüfen, ob sich der zuvor beobachtete Effekt umkehren lässt. Anschließend wurde ein erst mit SDS stabilisierter Nanopartikel (BR01) mit verschiedenen Lutensol AT50-Anteilen (5%, 10%, 25%, 50%, 100%) redispergiert. Die effizienteste Aufnahme zeigte der unmodifizierte, mit SDS stabilisierte Nanopartikel BR01, die niedrigste der ebenfalls unmodifizierte, mit Lutensol AT50 stabilisierte Nanopartikel BR02. Eine steigende Konzentration des PEG-MA Mn=300 g•mol-1 hemmt die Aufnahme von mit SDS stabilisierten Partikeln konstant. Für PEG-MA Mn=2080 g•mol-1 konnte hingegen kein Einfluss nachgewiesen werden. Für die mit Lutensol AT50 stabilisierten Partikel konnte kein Einfluss von PEG-MA nachgewiesen werden. Daraus resultiert, dass der Einsatz von physikalisch adsorbiertem Lutensol AT50 die zelluläre Aufnahme effektiver hemmt als der Einsatz von kovalent gebundenem PEG-MA unterschiedlicher Kettenlänge.rnDer Einsatz von mit Biomakromolekülen hergestellten Nanokapseln, die mit zwei verschiedenen Tensiden (SDS und Lutensol AT50) stabilisiert wurden, wurde im Weiteren näher untersucht. Bei den mit SDS stabilisierten Kapseln erwiesen sich die mit ssDNA hergestellten Kapseln BN-54 und BN-55 als leicht toxisch für die HeLa-Zellen. Dagegen sind alle eingesetzten, mit Lutensol AT50 redispergierten Nanokapseln sowohl für HeLa-Zellen als auch für hMSCs zytotoxisch. Hier ist die toxische Wirkung auf das nicht-ionische Tensid Lutensol AT50 zurückzuführen. Eine zelluläre Aufnahme konnte für keine mit Biomakromolekülen hergestellten Nanokapsel nachgewiesen werden.rnDen Abschluss der Untersuchungen bildet die vergleichende Analyse der in dieser Arbeit mit dem Fluoreszenzfarbstoff PMI versehenen Partikeln hinsichtlich deren Aufnahme in HeLa-Zellen und hMSCs und deren zytotoxische Auswirkungen. In der vergleichenden Analyse werden die zuvor vorgestellten Ergebnisse für PMI-Partikeln nochmal im Kontext betrachtet. Dabei erwies sich sowohl für die HeLa-Zellen als auch für die hMSCs, dass die meisten Partikel eine geringe bis keine zelluläre Aufnahme zeigen. Eine gute Aufnahme konnte nur für wenige Nanopartikel (vor allem für die kristallinen Nanopartikel) verzeichnet werden. Eine Korrelation zwischen der Aufnahmeeffizienz und der Zytotoxizität konnte nicht nachgewiesen werden. rn

Functional characterization of the placenta specific protein PLAC1 and its use for cancer immunotherapy

Summary Antibody-based cancer therapies have been successfully introduced into the clinic and have emerged as the most promising therapeutics in oncology. The limiting factor regarding the development of therapeutical antibody vaccines is the identification of tumor-associated antigens. PLAC1, the placenta-specific protein 1, was categorized for the first time by the group of Prof. Sahin as such a tumor-specific antigen. Within this work PLAC1 was characterized using a variety of biochemical methods. The protein expression profile, the cellular localization, the conformational state and especially the interacting partners of PLAC1 and its functionality in cancer were analyzed. Analysis of the protein expression profile of PLAC1 in normal human tissue confirms the published RT-PCR data. Except for placenta no PLAC1 expression was detectable in any other normal human tissue. Beyond, an increased PLAC1 expression was detected in several cancer cell lines derived of trophoblastic, breast and pancreatic lineage emphasizing its properties as tumor-specific antigen. rnThe cellular localization of PLAC1 revealed that PLAC1 contains a functional signal peptide which conducts the propeptide to the endoplasmic reticulum (ER) and results in the secretion of PLAC1 by the secretory pathway. Although PLAC1 did not exhibit a distinct transmembrane domain, no unbound protein was detectable in the cell culture supernatant of overexpressing cells. But by selective isolation of different cellular compartments PLAC1 was clearly enriched within the membrane fraction. Using size exclusion chromatography PLAC1 was characterized as a highly aggregating protein that forms a network of high molecular multimers, consisting of a mixture of non-covalent as well as covalent interactions. Those interactions were formed by PLAC1 with itself and probably other cellular components and proteins. Consequently, PLAC1 localize outside the cell, where it is associated to the membrane forming a stable extracellular coat-like structure.rnThe first mechanistic hint how PLAC1 promote cancer cell proliferation was achieved identifying the fibroblast growth factor FGF7 as a specific interacting partner of PLAC1. Moreover, it was clearly shown that PLAC1 as well as FGF7 bind to heparin, a glycosaminoglycan of the ECM that is also involved in FGF-signaling. The participation of PLAC1 within this pathway was approved after co-localizing PLAC1, FGF7 and the FGF7 specific receptor (FGFR2IIIb) and identifying the formation of a trimeric complex (PLAC1, FGF7 and the specific receptor FGFR2IIIb). Especially this trimeric complex revealed the role of PLAC1. Binding of PLAC1 together with FGF7 leads to the activation of the intracellular tyrosine kinase of the FGFR2IIIb-receptor and mediate the direct phosphorylation of the AKT-kinase. In the absence of PLAC1, no FGF7 mediated phosphorylation of AKT was observed. Consequently the function of PLAC1 was clarified: PLAC1 acts as a co-factor by stimulating proliferation by of the FGF7-FGFR2 signaling pathway.rnAll together, these novel biochemical findings underline that the placenta specific protein PLAC1 could be a new target for cancer immunotherapy, especially considering its potential applicability for antibody therapy in tumor patients.

Interaction of small molecules with specific immune receptors: the p-i concept and its consequences

Drugs may stimulate the immune system by forming stable new antigenic complexes consisting of the drug or drug metabolite which is covalently bound to a protein or peptide (hapten-carrier complex). Both, B- and T-cell immunity may arise, the latter directed to hapten modified peptides presented by HLA molecules. Beside this immunological stimulation, drugs can also stimulate the immune system through binding by non-covalent bonds to proteins like immune receptors. This so-called “pharmacological interaction with immune receptors” concept (“p-i concept”) may occur with HLA or TCR molecules themselves (p-i HLA or p-i TCR), and not the immunogenic peptide. It is a type of “off-target” activity of the drug on immune receptors, but more complex as various cell types, cell interactions and functionally different T cells are involved. In this review the conditions which lead to activation of T cells by p-i are discussed: important factors for a functional consequence of drug binding is the location of binding (p-i HLA or p-i TCR); the exact site within these immune receptors; the affinity of binding and the finding that p-i HLA can stimulate the immune system like an allo-allele. The p-i concept is able to solve some puzzles of drug hypersensitivity reactions and are a basis to better treat and potentially avoid drug hypersensitivity reactions. Moreover, the p-i concept shows that in contrast to previous beliefs small molecules do interact with immune receptors with functional consequence. But these interactions are not based on “immune recognition”, are at odds with some immunological concepts, but may nevertheless open new possibilities to understand and even treat immune reactions

Hierarchical self-assembly of the DNA-grafted supramolecular polymers

Conjugation of functional entities with a specific set of optical, mechanical or biological properties to DNA strands allows engineering of sophisticated DNA-containing architectures. Among various hybrid systems, DNA-grafted polymers occupy an important place in modern materials science. In this contribution we present the non-covalent synthesis and properties of DNA-grafted linear supramolecular polymers (SPs), which are assembled in a controllable manner from short chimeric DNA-pyrene oligomers. The synthetic oligomers consist of two parts: a 10 nucleotides long DNA chain and a covalently attached segment of variable number of phosphodiester-linked pyrenes. The temperature-dependent formation of DNA-grafted SPs is described by a nucleation-elongation mechanism. The high tendency of pyrenes to aggregate in water, leads to the rapid formation of SPs. The core of the assemblies consists of stacked pyrenes. They form a 1D platform, to which the DNA chains are attached. Combined spectroscopic and microscopic studies reveal that the major driving forces of the polymerization are π-stacking of pyrenes and hydrophobic interactions, and DNA pairing contributes to a lesser extent. AFM and TEM experiments demonstrate that the 1D SPs appear as elongated ribbons with a length of several hundred nanometers. They exhibit an apparent helical structure with a pitch-to-pitch distance of 50±15 nm. Since DNA pairing is a highly selective process, the ongoing studies are aimed to utilize DNA-grafted SPs for the programmable arrangement of functional entities. For example, the addition of non-modified complementary DNA strands to the DNA-grafted SPs leads to the cooperative formation of higher-order assemblies. Also, our experiments suggest that the fluorescent pyrene core of 1D ribbons serves as an efficient donor platform for energy transfer applications.

Hierarchical self-assembly of the DNA-grafted supramolecular polymers

Conjugation of functional entities with a specific set of optical, mechanical or biological properties to DNA strands allows engineering of sophisticated DNA-containing architectures. Among various hybrid systems, DNA-grafted polymers occupy an important place in modern materials science. In this contribution we present the non-covalent synthesis and properties of DNA-grafted linear supramolecular polymers (SPs), which are assembled in a controllable manner from short chimeric DNA-pyrene oligomers. The synthetic oligomers consist of two parts: a 10 nucleotides long DNA chain and a covalently attached segment of variable number of phosphodiester-linked pyrenes. The temperature-dependent formation of DNA-grafted SPs is described by a nucleation-elongation mechanism. The high tendency of pyrenes to aggregate in water, leads to the rapid formation of SPs. The core of the assemblies consists of stacked pyrenes. They form a 1D platform, to which the DNA chains are attached. Combined spectroscopic and microscopic studies reveal that the major driving forces of the polymerization are π-stacking of pyrenes and hydrophobic interactions, and DNA pairing contributes to a lesser extent. AFM and TEM experiments demonstrate that the 1D SPs appear as elongated ribbons with a length of several hundred nanometers. They exhibit an apparent helical structure with a pitch-to-pitch distance of 50±15 nm. Since DNA pairing is a highly selective process, the ongoing studies are aimed to utilize DNA-grafted SPs for the programmable arrangement of functional entities. For example, the addition of non-modified complementary DNA strands to the DNA-grafted SPs leads to the cooperative formation of higher-order assemblies. Also, our experiments suggest that the fluorescent pyrene core of 1D ribbons serves as an efficient donor platform for energy transfer applications.

Alternatives to peace keeping in Korea: the role of non-state actors and face-to-face encounters

Korea is one of the world's most volatile areas, not least because traditional UN mediation and peacekeeping missions are impossible. Having intervened in the Korean War on behalf of the southern side, the UN is a party to the conflict, rather than a neutral arbiter. The situation is particularly problematic because political interactions are characterized by a high degree of state-control over security policy. In both parts of the peninsula the state has, at least until recently, exercised the exclusive right to deal with the opponent on the other side of the hermetically divided peninsula. Given these domestic and international constrains, alternative approaches to conflict resolution are urgently needed. The recently proliferating literature on human security offers possible solutions, for it urges policy makers to view security beyond the conventional military-based defence of the state and its territory. Using such a conceptual framework, the essay assesses the potential significance non-state interactions between North and South, particularly those that promote communication, information exchange and face-to-face encounters. Even though these interactions remain limited, they are of crucial importance, for they provide an opportunity to reduce the stereotypical threat images that continue to fuel conflict on the peninsula.

Quiralidade, superfície de energia potencial e dinâmica de complexos envolvendo H2O2 + gases nobres

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, 2015.

Discovery and characterization of IGFBP-mediated endocytosis in the human retinal pigment epithelial cell line ARPE-19

Insulin-like growth factor binding proteins (IGFBPs) are prime regulators of IGF-action in numerous cell types including the retinal pigment epithelium (RPE). The RPE performs several functions essential for vision, including growth factor secretion and waste removal via a phagocytic process mediated in part by vitronectin (Vn). In the course of studying the effects of IGFBPs on IGF-mediated VEGF secretion and Vn-mediated phagocytosis in the RPE cell line ARPE-19, we have discovered that these cells avidly ingest synthetic microspheres (2.0 μm diameter) coated with IGFBPs. Given the novelty of this finding and the established role for endocytosis in mediating IGFBP actions in other cell types, we have explored the potential role of candidate cell surface receptors. Moreover, we have examined the role of key IGFBP structural motifs, by comparing responses to three members of the IGFBP family (IGFBP-3, IGFBP-4 and IGFBP-5) which display overlapping variations in primary structure and glycosylation status. Coating of microspheres (FluoSpheres®, sulfate modified polystyrene filled with a fluorophore) was conducted at 37 °C for 1 h using 20 μg/mL of test protein, followed by extensive washing. Binding of proteins was confirmed using a microBCA assay. The negative control consisted of microspheres treated with 0.1% bovine serum albumin (BSA), and all test samples were post-treated with BSA in an effort to coat any remaining free protein binding sites, which might otherwise encourage non-specific interactions with the cell surface. Serum-starved cultures of ARPE-19 cells were incubated with microspheres for 24 h, using a ratio of approximately 100 microspheres per cell. Uptake of microspheres was quantified using a fluorometer and was confirmed visually by confocal fluorescence microscopy. The ARPE-19 cells displayed little affinity for BSA-treated microspheres, but avidly ingested large quantities of those pre-treated with Vn (ANOVA; p < 0.001). Strong responses were also observed towards recombinant formulations of non-glycosylated IGFBP-3, glycosylated IGFBP-3 and glycosylated IGFBP-5 (all p < 0.001), while glycosylated IGFBP-4 induced a relatively minor response (p < 0.05). The response to IGFBP-3 was unaffected in the presence of excess soluble IGFBP-3, IGF-I or Vn. Likewise, soluble IGFBP-3 did not induce uptake of BSA-treated microspheres. Antibodies to either the transferrin receptor or type 1 IGF-receptor displayed slight inhibitory effects on responses to IGFBPs and Vn. Heparin abolished responses to Vn, IGFBP-5 and non-glycosylated IGFBP-3, but only partially inhibited the response to glycosylated IGFBP-3. Our results demonstrate for the first time IGFBP-mediated endocytosis in ARPE-19 cells and suggest roles for the IGFBP-heparin-binding domain and glycosylation status. These findings have important implications for understanding the mechanisms of IGFBP actions on the RPE, and in particular suggest a role for IGFBP-endocytosis.

Comparison of the binding stoichiometries of positively charged DNA-binding drugs using positive and negative ion electrospray ionization mass spectrometry

Positive and negative ion electrospray ionization (ESI) mass spectra of complexes of positively charged small molecules (distamycin, Hoechst 33258, [Ru(phen)2dpq]Cl2 and [Ru(phen)2dpqC]Cl2) have been compared. [Ru(phen)2dpq]Cl2 and [Ru(phen)2dpqC]Cl2 bind to DNA by intercalation. Negative ion ESI mass spectra of mixtures of [Ru(phen)2dpq]Cl2 or [Ru(phen)2dpqC]Cl2 with DNA showed ions from DNA-ligand complexes consistent with solution studies. In contrast, only ions from freeDNAwere present in positive ion ESI mass spectra of mixtures of [Ru(phen)2dpq]Cl2 or [Ru(phen)2dpqC]Cl2 with DNA, highlighting the need for obtaining ESI mass spectra of non-covalent complexes under a range of experimental conditions. Negative ion spectra of mixtures of the minor groove binder Hoechst 33258 with DNA containing a known minor groove binding sequence were dominated by ions from a 1:1 complex. In contrast, in positive ion spectra there were also ions present from a 2:1 (Hoechst 33258: DNA) complex, suggesting an alternative binding mode was possible either in solution or in the gas phase. When Hoechst 33258 was mixed with a DNA sequence lacking a high affinity minor groove binding site, the negative ion ESI mass spectra showed that 1:1 and 2:1 complexes were formed, consistent with existence of binding modes other than minor groove binding. The data presented suggest that comparison of positive and negative ion ESI-MS spectra might provide an insight into various binding modes in both solution and the gas phase.