7-Amino actinomycin D bound to single-stranded hairpin DNA enhanced by loop sequence-dependent luminescent Eu3+ and Tb3+ binding

Lanthanide Eu3+ and Tb3+ ions have been widely used in luminescent resonance energy transfer (LRET) for bioassays to study metal binding microenvironments. We report here that Eu3+ or Tb3+ can increase the binding affinity of antitumor antibiotic drug agent, 7-amino actinomycin D (7AACTD), binding to 5'-GT/TG-5' or 5'-GA/AG-5' mismatched stem region of the single-stranded hairpin DNA. Further studies indicate that the effect of Eu3+ or Tb3+ on 7AACTD binding is related to DNA loop sequence. Our results will provide new insights into how metal ions can enhance antitumor agents binding to their targets.

A homogeneous DNA hybridization system by using a new luminescence terbium chelate

Homogeneous DNA hybridization assay based on the luminescence resonance energy transfer (LRET) from a new luminescence terbium chelate, N,N,N-1,N-1-[2,6-bis(3'-aminomethyl-1'-pyrazolyl)-4-phenylpyridine]tetrakis(acetic acid) (BPTA)-Tb3+ (lambda(ex) = 325 nm and lambda(em) = 545 nm) to an organic dye, Cy3 (A,. = 548 nm and A,. = 565 nm), has been developed. In the system, two DNA probes whose sequences are complementary to the two different consecutive sequences of a target DNA are used; one of the probes is labeled with the Tb3+ chelate at the T-end, and the other is with Cy3 at the 5'-end. Labeling of the Tb3+ chelate is accomplished via the linkage of a biotin-labeled DNA probe with the Tb3+ chelate-labeled streptavidin. Strong sensitized emission of Cy3 was observed upon excitation of the Tb3+ chelate at 325 run, when the two probe DNAs were hybridized with the target DNA. The sensitivity of the assay was very high compared with those of the previous homogeneous-format assays using the conventional organic dyes; the detection limit of the present assay is about 30 pM of the target DNA strand.

Étude structurale et fonctionnelle du canal potassium dépendant du voltage KvAP

Les canaux ioniques dépendants du voltage sont responsables de l'initiation et de la propagation des potentiels d'action dans les cellules excitables. De nombreuses maladies héréditaires (channelopathies) sont associées à un contrôle défectueux du voltage par ces canaux (arythmies, épilepsie, etc.). L’établissement de la relation structure-fonction exacte de ces canaux est donc crucial pour le développement de nouveaux agents thérapeutiques spécifiques. Dans ce contexte, le canal procaryote dépendant du voltage et sélectif au potassium KvAP a servi de modèle d’étude afin d’approfondir i) le processus du couplage électromécanique, ii) l’influence des lipides sur l’activité voltage-dépendante et iii) l’inactivation de type closed-state. Afin de pallier à l’absence de données structurales dynamiques du côté cytosolique ainsi que de structure cristalline dans l’état fermé, nous avons mesuré le mouvement du linker S4-S5 durant le gating par spectroscopie de fluorescence (LRET). Pour ce faire, nous avons utilisé une technique novatrice du contrôle de l’état conformationnel du canal en utilisant les lipides (phospholipides et non phospholipides) au lieu du voltage. Un modèle dans l’état fermé a ainsi été produit et a démontré qu’un mouvement latéral modeste de 4 Å du linker S4-S5 est suffisant pour mener à la fermeture du pore de conduction. Les interactions lipides - canaux jouent un rôle déterminant dans la régulation de la fonction des canaux ioniques mais ne sont pas encore bien caractérisées. Nous avons donc également étudié l’influence de différents lipides sur l’activation voltage - dépendante de KvAP et mis en évidence deux sites distincts d’interactions menant à des effets différents : au niveau du senseur de voltage, menant au déplacement de la courbe conductance-voltage, et du côté intracellulaire, influençant le degré de la pente de cette même courbe. Nous avons également démontré que l’échange de lipides autour de KvAP est extrêmement limité et affiche une dépendance à l’état conformationnel du canal, ne se produisant que dans l’état ouvert. KvAP possède une inactivation lente particulière, accessible depuis l'état ouvert. Nous avons étudié les effets de la composition lipidique et de la température sur l'entrée dans l'état inactivé et le temps de récupération. Nous avons également utilisé la spectroscopie de fluorescence (quenching) en voltage imposé afin d'élucider les bases moléculaires de l’inactivation de type closed-state. Nous avons identifié une position à la base de l’hélice S4 qui semble impliquée à la fois dans le mécanisme responsable de ce type d'inactivation et dans la récupération particulièrement lente qui est typique du canal KvAP.

Biologischer Lichtsammler (LHCII) für Halbleiternanokristalle (Quantum Dots)

Der light harvesting complex II (LHCII) ist ein pflanzliches Membranprotein, das in seiner trimeren Form über 40 Chlorophylle bindet. In der Pflanze kann er besonders effizient Licht sammeln und die Anregungsenergie anschließend fast verlustfrei über andere chlorophyll-bindende Proteine an die Reaktionszentren weiterleiten. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften war es ein Ziel dieser Arbeit, rekombinanten LHCII mit synthetischen Komponenten zu kombinieren, die zur Ladungstrennung befähigt sind. Zu diesem Zweck wurden unter anderem Halbleiternanokristalle (Quantum Dots, QDs) ausgewählt, die je nach Zusammensetzung sowohl als Energieakzeptoren als auch als Energiedonoren in Frage kamen. Durch Optimierung des Puffers gelang es, die Fluoreszenzquantenausbeute der QDs in wässriger Lösung zu erhöhen und zu stabilisieren, so dass die Grundvoraussetzungen für die spektroskopische Untersuchung verschiedener LHCII-QD-Hybridkomplexe erfüllt waren.rnUnter Verwendung bereits etablierter Affinitätssequenzen zur Bindung des LHCII an die QDs konnte gezeigt werden, dass die in dieser Arbeit verwendeten Typ-I QDs aus CdSe und ZnS sich kaum als Energie-Donoren für den LHCII eignen. Ein Hauptgrund lag im vergleichsweise kleinen Försterradius R0 von 4,1 nm. Im Gegensatz dazu wurde ein R0 von 6,4 nm für den LHCII als Donor und Typ-II QDs aus CdTe, CdSe und ZnS als Akzeptor errechnet, wodurch in diesem System eine höhere Effizienz des Energietransfers zu erwarten war. Fluoreszenzspektroskopische Untersuchungen von Hybridkomplexen aus LHCII und Typ-II QDs ergaben eine hohe Plausibilität für einen Fluoreszenz Resonanz Energietransfer (FRET) vom Lichtsammler auf die QDs. Weitere QD-Affinitätssequenzen für den LHCII wurden identifiziert und deren Bindekonstanten ermittelt. Versuche mit dem Elektronenakzeptor Methylviologen lieferten gute Hinweise auf eine LHCII-sensibilisierte Ladungstrennung der Typ-II QDs, auch wenn dies noch anhand alternativer Messmethoden wie z.B. durch transiente Absorptionsspektroskopie bestätigt werden muss. rnEin weiteres Ziel war die Verwendung von LHCII als Lichtsammler in dye-sensitized solar cells (DSSC). Geeignete dotierte TiO2-Platten wurden ermittelt, das Verfahren zur Belegung der Platten optimiert und daher mit wenig Aufwand eine hohe LHCII-Belegungsdichte erzielt. Erste Messungen von Aktionsspektren mit LHCII und einem zur Ladungstrennung fähigen Rylenfarbstoff zeigen eine, wenn auch geringe, LHCII sensibilisierte Ladungstrennung. rnDie Verwendung von Lanthanide-Binding-Tags (LBTs) ist ein potentielles Verfahren zur in vivo-Markierung von Proteinen mit Lanthanoiden wie Europium und Terbium. Diese Metalle besitzen eine überdurchschnittlich lange Lumineszenzlebensdauer, so dass sie leicht von anderen fluoreszierenden Molekülen unterschieden werden können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit gelang es, eine LBT in rekombinanten LHCII einzubauen und einen Lumineszenz Resonanz Energietransfer (LRET) vom Europium auf den LHCII nachzuweisen.rn

AMPA RECEPTOR ALLOSTERISM: MEASUREMENT OF THE CONFORMATIONAL CHANGES IN THE LIGAND BINDING DOMAIN OF A FUNCTIONAL RECEPTOR

Ionotropic glutamate receptors are important excitatory neurotransmitter receptors in the mammalian central nervous system that have been implicated in a number of neuropathologies such as epilepsy, ischemia, and amyotrophic lateral sclerosis. Glutamate binding to an extracellular ligand binding domain initiates a series of structural changes that leads to the formation of a cation selective transmembrane channel, which consequently closes due to desensitization of the receptor. The crystal structures of the AMPA subtype of the glutamate receptor have been particularly useful in providing initial insight into the conformational changes in the ligand binding domain; however, these structures are limited by crystallographic constraint. To gain a clear picture of how agonist binding is coupled to channel activation and desensitization, it is essential to study changes in the ligand binding domain in a dynamic, physiological state. In this dissertation, a technique called Luminescence Resonance Energy Transfer was used to determine the conformational changes associated with activation and desensitization in a functional AMPA receptor (ÄN*-AMPA) that contains the ligand binding domain and transmembrane segments; ÄN*-AMPA has been modified such that fluorophores can be introduced at specific sites to serve as a readout of cleft closure or to establish intersubunit distances. Previous structural studies of cleft closure of the isolated ligand binding domain in conjunction with functional studies of the full receptor suggest that extent of cleft closure correlates with extent of activation. Here, LRET has been used to show that a similar relationship between cleft closure and activation is observed in the “full length” receptor showing that the isolated ligand binding domain is a good model of the domain in the full length receptor for changes within a subunit. Similar LRET investigations were used to study intersubunit distances specifically to probe conformational changes between subunits within a dimer in the tetrameric receptor. These studies show that the dimer interface is coupled in the open state, and decoupled in the desensitized state, similar to the isolated ligand binding domain crystal structure studies. However, we show that the apo state dimer interface is not pre-formed as in the crystal structure, hence suggesting a mechanism for functional transitions within the receptor based on LRET distances obtained.

CONFORMATIONAL CHANGES IN THE EXTRACELLULAR DOMAIN OF GLUTAMATE RECEPTORS

The family of membrane protein called glutamate receptors play an important role in the central nervous system in mediating signaling between neurons. Glutamate receptors are involved in the elaborate game that nerve cells play with each other in order to control movement, memory, and learning. Neurons achieve this communication by rapidly converting electrical signals into chemical signals and then converting them back into electrical signals. To propagate an electrical impulse, neurons in the brain launch bursts of neurotransmitter molecules like glutamate at the junction between neurons, called the synapse. Glutamate receptors are found lodged in the membranes of the post-synaptic neuron. They receive the burst of neurotransmitters and respond by fielding the neurotransmitters and opening ion channels. Glutamate receptors have been implicated in a number of neuropathologies like ischemia, stroke and amyotrophic lateral sclerosis. Specifically, the NMDA subtype of glutamate receptors has been linked to the onset of Alzheimer’s disease and the subsequent degeneration of neuronal cells. While crystal structures of AMPA and kainate subtypes of glutamate receptors have provided valuable information regarding the assembly and mechanism of activation; little is known about the NMDA receptors. Even the basic question of receptor assembly still remains unanswered. Therefore, to gain a clear understanding of how the receptors are assembled and how agonist binding gets translated to channel opening, I have used a technique called Luminescence Resonance Energy Transfer (LRET). LRET offers the unique advantage of tracking large scale conformational changes associated with receptor activation and desensitization. In this dissertation, LRET, in combination with biochemical and electrophysiological studies, were performed on the NMDA receptors to draw a correlation between structure and function. NMDA receptor subtypes GluN1 and GluN2A were modified such that fluorophores could be introduced at specific sites to determine their pattern of assembly. The results indicated that the GluN1 subunits assembled across each other in a diagonal manner to form a functional receptor. Once the subunit arrangement was established, this was used as a model to further examine the mechanism of activation in this subtype of glutamate receptor. Using LRET, the correlation between cleft closure and activation was tested for both the GluN1 and GluN2A subunit of the NMDA receptor in response to agonists of varying efficacies. These investigations revealed that cleft closure plays a major role in the mechanism of activation in the NMDA receptor, similar to the AMPA and kainate subtypes. Therefore, suggesting that the mechanism of activation is conserved across the different subtypes of glutamate receptors.