Das GAF-Domänen-Protein NreA : ein neuartiger Nitratrezeptor aus Staphylococcus carnosus

Staphylococcus carnosus ist ein fakultativ anaerobes Bakterium, das aerobe Atmung, anaerobe Nitratatmung und Gärungsstoffwechsel betreiben kann. Die Expression des Nitratstoffwechsels wird durch das Dreikomponentensystem NreABC reguliert.rnUnter anaeroben Bedingungen besitzt die Sensorhistidinkinase NreB in ihrer PAS-Domäne ein [Fe4S4]2+-Cluster. Das aktive (anaerobe) [Fe4S4]2+-NreB überträgt nach Autophosphorylierung die Phosphorylgruppe auf den Antwortregulator NreC, welcher dann die Expression der Gene der Nitratatmung aktiviert. Nitrat wirkt mit Hilfe des NreA-Proteins auf diese Gene induzierend. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass NreA ein GAF-Domänen-Protein und ein neuartiger Nitratrezeptor ist.rnDie Natur von NreA als GAF-Domänen-Protein bestätigte sich beim Vergleich der Kristallstruktur mit denen anderer GAF-Domänen. GAF-Domänen sind weit verbreitet und binden typischer Weise kleine Moleküle. Als physiologischer Ligand von NreA zeigte sich Nitrat, das innerhalb einer definierten Bindetasche gebunden wird. NreA bindet vermutlich in dimerer Form an dimeres NreB und inhibiert dadurch die Phosphorylierung der Sensorhistidinkinase NreB. Die Interaktion von NreA mit NreB wurde in vivo durch BACTH-Messungen und sowohl in vivo als auch in vitro durch Cross-Linking Experimente gezeigt. Nitrat reduziert den Ergebnissen nach die Interaktion von NreA mit NreB.rnDurch Sequenzvergleiche von NreA mit Homologen wurden konservierte Aminosäuren identifiziert. Über gerichtete Mutagenese wurden 25 NreA-Varianten hergestellt und bezüglich ihres Verhaltens in Abhängigkeit von Nitrat in narG-lip-Reportergenstudien getestet. Anhand ihres Phänotyps wurden sie als Wildtyp, NreA- und NreABC-Mutanten klassifiziert. Die Nitratbindetasche war in sechs Fällen betroffen. Die Phänotypen der Mutationen in der Peripherie lassen sich mit Auswirkungen auf die vermutete Konformationsänderung oder auf die Interaktion mit NreB erklären. Mutationen von konservierten, oberflächenexponierten Resten führten vermehrt zu NreA/ON-Varianten. Es ließen sich Bereiche auf der Proteinoberfläche identifizieren, die für NreA/NreA- oder NreA/NreB-Interaktionen wichtig sein könnten.rnDie Untersuchungen zeigten, dass NreA mit NreB interagiert und dass dadurch ein NreA/NreB-Sensorkomplex für die gemeinsame Erkennung von Nitrat und Sauerstoff gebildet wird.

The GAF Domain of the cGMP-Binding, cGMP-Specific Phosphodiesterase (PDE5) Is a Sensor and a Sink for cGMP

We describe here a novel sensor for cGMP based on the GAF domain of the cGMP-binding, cGMP-specific phosphodiesterase 5 (PDE5) using bioluminescence resonance energy transfer (BRET). The wild type GAFa domain, capable of binding cGMP with high affinity, and a mutant (GAFaF163A) unable to bind cGMP were cloned as fusions between GFP and Rluc for BRET2 assays. BRET2 ratios of the wild type GAFa fusion protein, but not GAFaF163A, increased in the presence of cGMP but not cAMP. Higher basal BRET2 ratios were observed in cells expressing the wild type GAFa domain than in cells expressing GAFaF163A. This was correlated with elevated basal intracellular levels of cGMP, indicating that the GAF domain could act as a sink for cGMP. The tandem GAF domains in full length PDE5 could also sequester cGMP when the catalytic activity of PDE5 was inhibited. Therefore, these results describe a cGMP sensor utilizing BRET2 technology and experimentally demonstrate the reservoir of cGMP that can be present in cells that express cGMP-binding GAF domain-containing proteins. PDE5 is the target for the anti-impotence drug sildenafil citrate; therefore, this GAF-BRET2 sensor could be used for the identification of novel compounds that inhibit cGMP binding to the GAF domain, thereby regulating PDE5 catalytic activity.

Cyclic nucleotide binding and structural changes in the isolated GAF domain of Anabaena adenylyl cyclase, CyaB2

GAF domains are a large family of regulatory domains, and a subset are found associated with enzymes involved in cyclic nucleotide (cNMP) metabolism such as adenylyl cyclases and phosphodiesterases. CyaB2, an adenylyl cyclase from Anabaena, contains two GAF domains in tandem at the N-terminus and an adenylyl cyclase domain at the C-terminus. Cyclic AMP, but not cGMP, binding to the GAF domains of CyaB2 increases the activity of the cyclase domain leading to enhanced synthesis of cAMP. Here we show that the isolated GAFb domain of CyaB2 can bind both cAMP and cGMP, and enhanced specificity for cAMP is observed only when both the GAFa and the GAFb domains are present in tandem(GAFab domain). In silico docking and mutational analysis identified distinct residues important for interaction with either cAMP or cGMP in the GAFb domain. Structural changes associated with ligand binding to the GAF domains could not be detected by bioluminescence resonance energy transfer (BRET) experiments. However, amide hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry (HDXMS) experiments provided insights into the structural basis for cAMP-induced allosteric regulation of the GAF domains, and differences in the changes induced by cAMP and cGMP binding to the GAF domain. Thus, our findings could allow the development of molecules that modulate the allosteric regulation by GAF domains present in pharmacologically relevant proteins.

Struktur- und Funktionsanalyse der zytokinbindenden Domäne des humanen Interleukin-6-Rezeptors

Die Familie der IL-6-Typ-Zytokine (IL-6, IL-11, CT-1, CNTF, LIF, OSM, BSF-3) ist durch eine vierhelikale Faltung gekennzeichnet. Alle Zytokine dieser Familie agieren über einen Rezeptorkomplex, der als gemeinsame Komponente mindestens ein Molekül gp130 enthält. IL-6 und IL-11 signalisieren über ein gp130-Homodimer, während CT-1, CNTF, LIF und OSM ein Heterodimer aus gp130 und dem strukturell verwandten LIFR oder, im Falle des OSM, auch OSMR verwenden. Die Rezeptoren der vierhelikalen Zytokine sind in ihrem extrazellulären Bereich modulartig aus Ig- und Fibronektin-Typ-III-ähnlichen Domänen aufgebaut. Sie besitzen als gemeinsame Struktureinheit ein zytokinbindendes Modul (CBM) aus zwei Fibronektin-Typ-III-ähnlichen Domänen, die durch vier konservierte Cysteine in der N-terminalen und ein konserviertes WSXWS-Motiv in der C-terminalen Domäne charakterisiert sind. Auf Zielzellen bindet IL-6 an den spezifischen IL-6 Rezeptor, worauf der Komplex aus IL-6/IL-6R mit dem Signaltransduktor gp130 assoziiert. Der IL-6R besteht in seinem extrazellulären Bereich aus drei Domänen. Die N-terminale Ig-ähnliche Domäne ist für die biologische Aktivität nicht notwendig. Die Domänen 2 und 3 bilden das CBM, welches auch in löslicher Form agonistisch wirkt. In der vorliegenden Arbeit wurden die strukturellen und funktionellen Eigenschaften der dritten extrazellulären Domäne des IL-6R untersucht. Das Protein läßt sich effizient in Bakterien exprimieren und in vitro renaturieren. Es konnte gezeigt werden, daß Domäne 3 für die Bindung an IL-6 ausreichend ist, der Komplex aus D3 und IL-6 jedoch nicht mehr mit dem gp130-Molekül assoziieren kann. Da der lösliche IL-6R (bestehend aus D2 und D3) in der Lage ist, an gp130 zu binden und ein biologisches Signal auszulösen, weisen diese Daten der C-terminalen CBM-Domäne (D3) eine ligandenbindende Funktion und der N-terminalen CBM-Domäne eine wichtige Rolle bei der Komplexbildung mit gp130 und Signalinduktion zu. Die gezeigte Expressions- und Renaturierungsstrategie für D3 wurde zur Markierung des Proteins mit 15N und 13C für die mehrdimensionale, heteronukleare NMR-Spektroskopie angewandt. Die hierdurch ermöglichte Strukturaufklärung von D3 als einer eindeutig in die Ligandenbindung involvierten Teilstruktur wird umfassendere strukturelle Informationen über den IL-6R-Komplex liefern, als es die bisherigen Mutations- bzw. Modellbaustudien konnten.

Lokalisierung der Fortsatz-induzierenden Domäne von Transmembran-Agrin

Aggregation oder Überexpression der Transmembran-Isoform des extrazellulären Matrix-Proteoglycans Agrin in Neuronen führt zur Bildung zahlreicher filopodienartiger Fortsätze auf Axonen und Dendriten. Ähnliche Fortsätze können auch durch Überexpression von Transmembran-Agrin in verschiedenen nicht-neuronalen Zelllinien induziert werden. Untersuchungen zu dieser Fortsatz-induzierenden Aktivität in Neuronen und nicht-neuronalen Zellen zeigen, dass der extrazelluläre Teil von Transmembran-Agrin für die Fortsatzbildung notwendig ist. In dieser Arbeit wurde mittels verschiedener Deletions- und Mutationskonstrukte der Bereich zwischen den Cysteinen C535 und C567 der siebten Follistatin-ähnlichen Domäne von Transmembran-Agrin als essentiell für die Bildung der filopodienartigen Fortsätze identifiziert. Die siebte Follistatin-ähnliche Domäne konnte durch die erste oder sechste, jedoch nicht durch die achte Follistatin-ähnliche Domäne funktionell ersetzt werden, was für eine funktionelle Redundanz bei einigen Follistatin-ähnlichen Domänen Agrins spricht. Zudem scheint eine kritische Distanz der siebten Follistatin-ähnlichen Domäne zur Plasmamembran für die Fortsatzbildung wichtig zu sein. Diese Ergebnisse zeigen, dass unterschiedliche Regionen innerhalb Agrins für die Bildung der Synapse an der neuromuskulären Endplatte und der Fortsätze im Zentralnervensystem verantwortlich sind, und deuten auf eine Funktion der Follistatin-ähnlichen Domänen Agrins bei der Entwicklung des Zentralnervensystems hin.

The oxygen sensors FNR from Escherichia coli and NreABC from Staphylococcus carnosus

Im Laufe der Evolution entwickelte sich eine Reihe von Sauerstoff-Sensorsystemen in Bakterien, um die Genexpression der Sauerstoffverfügbarkeit anzupassen. Der Sauerstoffsensor FNR aus Escherichia coli bindet unter anaeroben Bedingungen ein [4Fe4S]2+ Zentrum. Unter Sauerstoffeinfluß zerfällt aktives [4Fe4S]2+FNR zu inaktivem [2Fe2S]2+FNR und weiter zu ebenfalls inaktivem apoFNR. In der vorliegenden Arbeit wurde der Zustand von FNR in vivo in aeroben und anaeroben Zellen von Escherichia coli aufgeklärt. Durch Alkylierung der Cysteine in FNR und anschließender Analyse im Massenspektrometer konnte gezeigt werden, das FNR in aeroben Zellen hauptsächlich in der apo-Form vorliegt. Nach ca. 6 Minuten war in lebenden E. coli Zellen die Umwandlung von [4Fe4S]2+ FNR zu apoFNR abgeschlossen.rnrnIn dem gram positiven Bakterium Staphylococcus carnosus aktiviert das NreBC System unter anaeroben Wachstumsbedingungen die Gene der Nitratatmung. NreB ist eine cytoplasmatische Sensorhistidinkinase, die ein sauerstofflabiles [4Fe4S]2+ Zentrum über eine PAS-Domäne bindet. Das [4Fe4S]2+ Zentrum wird von vier Cysteinen gebunden. Der Responsregulator NreC steuert nach Aktivierung durch NreB die Transkription der Zielgene. In der vorliegenden Arbeit wurde NreB mit Hilfe von Cysteinmarkierungen in vivo charakterisiert. Durch die Änderung der Cystein-Zugänglichkeit für Thiolreagenzien nach Sauerstoffzugabe konnte eine Halbwertszeit von ca. 3 Minuten für das [4Fe4S]2+ Zentrum in vivo bestimmt werden. In anaeroben Bakterien stellt [4Fe4S]2+NreB die Hauptform von NreB dar, während in aeroben Bakterien hauptsächlich apoNreB vorkommt. Dieses Ergebnis konnte durch Massenspektroskopie bestätigt werden. Weiterhin konnte gezeigt werden das NreA mit NreB und NreC wechselwirkt und Bestandteil des NreABC Drei-Komponentensystems ist. rn

PAS c als signaltransduzierende Domäne des Sensorproteins DcuS von Escherichia coli

Bakterien besitzen membranintegrierte Sensoren für die Reaktion auf verändernde Umweltbedingungen.rnViele der Sensoren sind Zweikomponenten-Systeme bestehend aus einer Sensorhistidinkinase und einem Responseregulator der die zellulare Antwort auslöst. DcuS, der C4-Dicarboxylat-Sensor von DcuS ist eine membranintegrierte Histidin-Kinase. DcuS ist ein Multidomänen-Protein mit einer sensorischen periplasmatischen PASP (Per-Arnt-Sim) Domäne, zwei Transmembranhelices, eine cytoplasmatische PASC-Domäne und eine C-terminale Kinase-Domäne. PAS-Domänen sind ubiquitäre Signalmodule die in allen Reichen des Lebens zu finden sind. PAS-Domänen detektieren eine Vielfalt von Reizen wie Licht, Sauerstoff, Redoxpotential und verschiedene kleine Moleküle so wie die Modulation von Protein-Protein Interaktionen. PAS-Domänen sind strukturell homolog und besitzen eine charakteristische α/β-Faltung. Eine große Anzahl der sensorischen PAS-Domänen wurden identifiziert, aber viele der PAS-Domänen besitzen keinen apparenten Cofaktor und die Funktion ist unbekannt.rnEine Kombination aus gerichteter und ungerichteter Mutagenese, Protein-Protein-Interaktionsstudien und Festkörper-NMR (ssNMR) Experimente mit strukturellem Modelling wurde zur Untersuchung der Struktur und Funktion der cytoplasmatischen PAS-Domäne des membranintegrierten Sensors DcuS verwendet. Die Experimente zeigen, dass PASC eine wichtige Rolle in die Signaltransduktion von PASP zur C-terminalen Histidin-Kinase von DcuS spielt.rn

Investigating policy processes: The Governance Analytical Frame-work (GAF)

Societies develop ways of making decisions regarding collective problems, thereby creating norms, rules, and institutions; this is what governance is about. In policy research, governance has become an important focus of attention; but debates show a lack of clarity at the conceptual level and a confusion between the use of the concept for prescriptive and analytical purposes. The present article is based on the hypothesis that using a clarified, non-normative governance perspective in policy research can contribute to an improved understanding of political processes, including formal and unrecognised ones, those embedded in larger and smaller social systems, as well as both vertical and horizontal political arrangements. The paper is the result of a collaborative engagement with the concept of governance within several networks, leading to the development of the Governance Analytical Framework (GAF). The GAF is a practical methodology for investigating governance processes, based on five analytical tools: problems, actors, social norms, processes, and nodal points. Besides describing the conceptual sources and analytical purpose of these five tools, the paper presents examples of how the GAF can be operationalised.

Dysbindin (DTNBP1) : a role in psychotic depression?

Previous studies yielded evidence for dysbindin (DTNBP1) to impact the pathogenesis of schizophrenia on the one hand and affective disorders such as bipolar or major depressive disorder (MDD) on the other. Thus, in the present study we investigated whether DTNBP1 variation was associated with psychotic depression as a severe clinical manifestation of MDD possibly constituting an overlapping phenotype between affective disorders and schizophrenia. A sample of 243 Caucasian inpatients with MDD (SCID-I) was genotyped for 12 SNPs spanning 92% of the DTNBP1 gene region. Differences in DTNBP1 genotype distributions across diagnostic subgroups of psychotic (N = 131) vs. non-psychotic depression were estimated by Pearson Chi2 test and logistic regression analyses adjusted for age, gender, Beck Depression Inventory (BDI) and the Global Assessment of Functioning Scale (GAF). Overall, patients with psychotic depression presented with higher BDI and lower GAF scores expressing a higher severity of the illness as compared to depressed patients without psychotic features. Four DTNBP1 SNPs, particularly rs1997679 and rs9370822, and the corresponding haplotypes, respectively, were found to be significantly associated with the risk of psychotic depression in an allele-dose fashion. In summary, the present results provide preliminary support for dysbindin (DTNBP1) gene variation, particularly SNPs rs1997679 and rs9370822, to be associated with the clinical phenotype of psychotic depression suggesting a possible neurobiological mechanism for an intermediate trait on the continuum between affective disorders and schizophrenia.

Randomized controlled trial of MICBT for co-existing alcohol misuse and depression : outcomes to 36-months

Integrated psychological treatment addressing co-existing alcohol misuse and depression has not been compared with single-focused treatment. This trial evaluates changes over 36 months following randomization of 284 outpatients to one of four motivational interviewing and cognitive-behavior therapy (MICBT) based interventions: (1) brief integrated intervention (BI); or BI plus 9 further sessions with (2) an integrated-, (3) alcohol-, or (4) depression-focus. Outcome measures included changes in alcohol consumption, depression (BDI-II: Beck Depression Inventory) and functioning (GAF: Global Assessment of Functioning), with average improvements from baseline of 21.8 drinks per week, 12.6 BDI-II units and 8.2 GAF units. Longer interventions tended to be more effective in reducing depression and improving functioning in the long-term, and in improving alcohol consumption in the short-term. Integrated treatment was at least as good as single-focused MICBT. Alcohol-focused treatment was as effective as depression-focused treatment at reducing depression and more effective in reducing alcohol misuse. The best approach seems to be an initial focus on both conditions followed by additional integrated- or alcohol-focused sessions.

Mismatch negativity in recent-onset and chronic schizophrenia : a current source density analysis

Mismatch negativity (MMN) is a component of the event-related potential elicited by deviant auditory stimuli. It is presumed to index pre-attentive monitoring of changes in the auditory environment. MMN amplitude is smaller in groups of individuals with schizophrenia compared to healthy controls. We compared duration-deviant MMN in 16 recent-onset and 19 chronic schizophrenia patients versus age- and sex-matched controls. Reduced frontal MMN was found in both patient groups, involved reduced hemispheric asymmetry, and was correlated with Global Assessment of Functioning (GAF) and negative symptom ratings. A cortically-constrained LORETA analysis, incorporating anatomical data from each individual's MRI, was performed to generate a current source density model of the MMN response over time. This model suggested MMN generation within a temporal, parietal and frontal network, which was right hemisphere dominant only in controls. An exploratory analysis revealed reduced CSD in patients in superior and middle temporal cortex, inferior and superior parietal cortex, precuneus, anterior cingulate, and superior and middle frontal cortex. A region of interest (ROI) analysis was performed. For the early phase of the MMN, patients had reduced bilateral temporal and parietal response and no lateralisation in frontal ROIs. For late MMN, patients had reduced bilateral parietal response and no lateralisation in temporal ROIs. In patients, correlations revealed a link between GAF and the MMN response in parietal cortex. In controls, the frontal response onset was 17 ms later than the temporal and parietal response. In patients, onset latency of the MMN response was delayed in secondary, but not primary, auditory cortex. However amplitude reductions were observed in both primary and secondary auditory cortex. These latency delays may indicate relatively intact information processing upstream of the primary auditory cortex, but impaired primary auditory cortex or cortico-cortical or thalamo-cortical communication with higher auditory cortices as a core deficit in schizophrenia.

Hierarchy of structures in the family of amine templated open-framework gallium arsenates

Five new gallium arsenate compounds C2N2H10]Ga(H2AsO4)(HAsO4)(2)]center dot H2O, I; C2N2H10]Ga(OH)(AsO4)](2), II; C2N2H10]GaF(AsO4)](2), III; C3N2H12]Ga(OH)(AsO4)](2), IV; Ga2F3(AsO4)(HAsO4)]center dot 2H(3)O, V, have been synthesized under hydrothermal conditions and the structures determined employing single crystal X-ray diffraction studies. All the structures consist of octahedral gallium and tetrahedral arsenate units connected together forming a hierarchy of structures. Thus, one- (I), two- (II and IV) and three-dimensionally (III and V) extended structures have been observed. The Ga-O(H)/F-Ga connectivity in some of the structures suggests the coordination requirements posed by the octahedral gallium in these compounds. The observation of only one type of secondary building unit in the structures of III (SBU-4) and V (spiro-5) is unique and noteworthy. All the compounds have been characterized by a variety of techniques that include powder XRD, IR, and TGA. (C) 2010 Elsevier B. V. All rights reserved.

Distinct Allostery Induced in the Cyclic GMP-binding, Cyclic GMP-specific Phosphodiesterase (PDE5) by Cyclic GMP, Sildenafil, and Metal Ions

The activity of many proteins orchestrating different biological processes is regulated by allostery, where ligand binding at one site alters the function of another site. Allosteric changes can be brought about by either a change in the dynamics of a protein, or alteration in its mean structure. We have investigated the mechanisms of allostery induced by chemically distinct ligands in the cGMP-binding, cGMP-specific phosphodiesterase, PDE5. PDE5 is the target for catalytic site inhibitors, such as sildenafil, that are used for the treatment of erectile dysfunction and pulmonary hypertension. PDE5 is a multidomain protein and contains two N-terminal cGMP-specific phosphodiesterase, bacterial adenylyl cyclase, FhLA transcriptional regulator (GAF) domains, and a C-terminal catalytic domain. Cyclic GMP binding to the GAFa domain and sildenafil binding to the catalytic domain result in conformational changes, which to date have been studied either with individual domains or with purified enzyme. Employing intramolecular bioluminescence resonance energy transfer, which can monitor conformational changes both in vitro and in intact cells, we show that binding of cGMP and sildenafil to PDE5 results in distinct conformations of the protein. Metal ions bound to the catalytic site also allosterically modulated cGMP- and sildenafil-induced conformational changes. The sildenafil-induced conformational change was temperature-sensitive, whereas cGMP-induced conformational change was independent of temperature. This indicates that different allosteric ligands can regulate the conformation of a multidomain protein by distinct mechanisms. Importantly, this novel PDE5 sensor has general physiological and clinical relevance because it allows the identification of regulators that can modulate PDE5 conformation in vivo.