@phdthesis{Zink2023,
  author    = {Zink, Christoph},
  title     = {Biochemische und strukturbiologische Charakterisierung der Inhibition der Pyridoxal 5´-Phosphat Phosphatase durch 7,8-Dihydroxyflavon},
  doi       = {10.25972/OPUS-25151},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-251511},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {Die Pyridoxal-5'-Phosphat Phosphatase (PDXP), auch bekannt als Chronophin (CIN), ist eine HAD-Phosphatase, die beim Menschen ubiquit{\"a}r exprimiert wird und eine entscheidende Rolle im zellul{\"a}ren Vitamin-B6-Metabolismus einnimmt. PDXP ist in der Lage Pyridoxal-5'-Phosphat (PLP), die co-enzymatisch aktive Form von Vitamin B6, zu dephosphorylieren. In-vivo Studien mit M{\"a}usen zeigten, dass die Abwesenheit von PDXP mit verbesserten kognitiven Leistungen und einem verringerten Wachstum von Hirntumoren assoziiert ist. Dies begr{\"u}ndet die gezielte Suche nach einem pharmakologischen Inhibitor f{\"u}r PDXP. Ein Hochdurchsatz-Screen legte nahe, dass 7,8-Dihydroxyflavon (7,8-DHF) hierf{\"u}r ein potenzieller Kandidat ist. Zahlreiche Studien beschreiben bereits vielf{\"a}ltige positive neurologische Effekte nach in-vivo Administration von 7,8-DHF, allerdings bleibt der genaue Wirkmechanismus umstritten und wird bis dato nicht mit PDXP in Zusammenhang gebracht. Ziel dieser Arbeit ist es, die Inhibition von PDXP durch 7,8-DHF n{\"a}her zu charakterisieren und damit einen Beitrag zur Beantwortung der Frage zu leisten, ob PDXP an den 7,8-DHF-induzierten Effekten beteiligt ist. Hierzu wurde der Effekt von 7,8-DHF auf die enzymatische Aktivit{\"a}t von rekombinant hergestelltem, gereinigtem PDXP in in-vitro Phosphatase-Assays charakterisiert. Um die Selektivit{\"a}t von 7,8-DHF gegen{\"u}ber PDXP zu untersuchen, wurden f{\"u}nf weitere HAD-Phosphatasen getestet. Unter den analysierten Phosphatasen zeigte einzig die dem PDXP nah verwandte Phosphoglykolat Phosphatase (PGP) eine geringer ausgepr{\"a}gte Sensitivit{\"a}t gegen 7,8-DHF. Ein Vergleich von 7,8-DHF mit sechs strukturell verwandten, hydroxylierten Flavonen zeigte, dass 7,8-DHF unter den getesteten Substanzen die h{\"o}chste Potenz und Effektivit{\"a}t aufwies. Außerdem wurde eine Co-Kristallisation von PDXP mit 7,8-DHF durchgef{\"u}hrt, deren Struktur bis zu einer Aufl{\"o}sung von 2,0 {\AA} verfeinert werden konnte. Die in der Kristallstruktur identifizierte Bindungsstelle von 7,8-DHF an PDXP wurde mittels verschiedener, neu generierter PDXP-Mutanten enzymkinetisch best{\"a}tigt. Zusammenfassend zeigen die hier beschriebenen Ergebnisse, dass 7,8-DHF ein direkter, selektiver und vorwiegend kompetitiver Inhibitor der PDXP-Aktivit{\"a}t ist, mit einer IC50 im submikromolaren Bereich. Die Ergebnisse dieser in-vitro Untersuchungen motivieren zu weiterer Forschung bez{\"u}glich der 7,8-DHF-vermittelten Inhibition der PDXP-Aktivit{\"a}t in Zellen, um die Frage beantworten zu k{\"o}nnen, ob PDXP auch in-vivo ein relevantes Target f{\"u}r 7,8-DHF darstellt.},
  subject      = {Pyridoxalphosphat},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Witzinger2020,
  author    = {Witzinger, Linda},
  title     = {Rolle der Pyridoxal 5´-Phosphat Phosphatase PDXP im Vitamin B6-Metabolismus muriner Erythrozyten und Hippocampi},
  doi       = {10.25972/OPUS-21654},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-216546},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {Die Phosphatase PDXP (auch bekannt als Chronophin) geh{\"o}rt zur Familie der HAD Phosphatasen, einer ubiquit{\"a}r exprimierten Enzymklasse mit wichtigen physiologischen Funktionen. PDXP zeigt Phosphatase-Aktivit{\"a}t gegen{\"u}ber seinem Substrat Pyridoxal 5´-Phosphat (PLP), der aktivierten Form von Vitamin B6. PDXP-defiziente M{\"a}use (Knockout-M{\"a}use) weisen im Vergleich zu Wildtypen verdoppelte PLP-Konzentrationen in Erythrozyten sowie im Gesamthirn auf. Vermutlich kommt PDXP daher eine wichtige Funktion in Erythrozyten und im Hirn zu. Ziel dieser Arbeit war es, erste Einblicke in diese Funktion(en) von PDXP zu erlangen. Hierzu wurden HPLC-basierte Analysen der erythrozyt{\"a}ren PLP-Konzentrationen in Wildtyp- sowie PDXP-defizienten M{\"a}usen durchgef{\"u}hrt. Dabei ließen sich die rund doppelt so hohen erythrozyt{\"a}ren PLP-Level in den KO-M{\"a}usen best{\"a}tigen. Zudem ist es gelungen, eine Methode zur Messung der endogenen Phosphatase-Aktivit{\"a}t von PDXP in Erythrozytenlysaten zu etablieren. So konnte im Wildtyp anhand der Verringerung der PLP-Konzentrationen pro Zeiteinheit eine erythrozyt{\"a}re PDXP-Aktivit{\"a}t nachgewiesen werden. Dazu waren die Inkubation mit Pyridoxin, sowie die Anwendung eines Inhibitors der PDXK notwendig. Eine bis dato vermutete Funktion der PDXP, zur Mobilisation von erythrozyt{\"a}rem PLP w{\"a}hrend Fastenzeiten, konnte ausgeschlossen werden. So zeigte der Vergleich der erythrozyt{\"a}ren PLP-Konzentrationen aus gefasteten mit normal gef{\"u}tterten Tieren in beiden Genotypen exakt dieselbe prozentuale PLP-Verringerung. W{\"a}hrend Nahrungszufuhr ließ sich jedoch eine Funktion der Phosphatase PDXP als „Converter" von Pyridoxin zu Pyridoxal erkennen. Ausgehend von PN konnte im Wildtyp ({\"u}ber die Zwischenprodukte PNP und PLP) eine PDXP-abh{\"a}ngige Dephosphorylierung von PLP zu PL erfolgen. So wies der Wildtyp eine rund vierfach h{\"o}here PL-Produktion auf, verglichen mit der PDXP-defizienten Maus. Die Phosphatase PDXP erwies sich als essenziell f{\"u}r die erythrozyt{\"a}re Konversion von Pyridoxin zu Pyridoxal. Dadurch erreicht der Organismus eine metabolische Flexibilit{\"a}t, die ihn bis zu einem gewissen Grad unabh{\"a}ngig von der Nahrungsauswahl macht. Zudem k{\"o}nnen Zellen oder Organe, denen durch das Fehlen der PNPO, die Konversion zu PLP nicht m{\"o}glich ist, mit PL versorgt werden. Aus der hohen Reaktivit{\"a}t von PLP mit umliegenden Nucleophilen ergibt sich eine gewisse Problematik f{\"u}r die Zelle im Umgang mit freiem PLP. So liegt der Großteil des erythrozyt{\"a}ren PLPs gebunden an Proteine (vor allem H{\"a}moglobin) vor. Anhand von Filtern (MWCO, 3000) ließ sich zwischen der hier definiert als „freien" und der „gebundenen" Form von PLP differenzieren. So konnten erste Erkenntnisse zur Rolle von PDXP als Determinator freier PLP-Konzentrationen in Erythrozyten und insbesondere im Hippocampus erlangt werden. Im Hippocampus ergaben sich insgesamt deutlich h{\"o}here Konzentrationen an freiem PLP als in den Erythrozyten und es bestand zudem ein Unterschied zwischen den Genotypen. So wiesen die KO-M{\"a}use ~1/3 h{\"o}here freie PLP-Konzentrationen im Vergleich zu den Wildtypen auf. Schließlich konnte ein Effekt des Tieralters auf den PLP-Metabolismus festgestellt werden. Sowohl in den Erythrozyten als auch im Hippocampus ergaben sich alterskorrelierte {\"A}nderungen ihrer PLP-Konzentrationen. Zudem zeigten Western Blot Analysen altersbedingte Unterschiede ihrer Vitamin B6-Enzymexpressionen. So wiesen {\"a}ltere Wildtypen im Hippocampus eine f{\"u}nffach erh{\"o}hte PDXP-Expression verglichen mit j{\"u}ngeren Tieren auf. In den Erythrozytenlysaten hingegen zeigten {\"a}ltere Tiere beider Genotypen eine rund vierfach geringere PNPO-Expression gegen{\"u}ber j{\"u}ngeren Tieren. Die mit dem Alter eintretende physiologische Verringerung der erythrozyt{\"a}ren PNPO-Expression w{\"u}rde somit f{\"u}r den Organismus einen Verlust seiner metabolischen Flexibilit{\"a}t bedeuten, die mit der Konversion von PN zu PL einhergeht.},
  subject      = {Vitamin B6},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Kestler2017,
  author    = {Kestler, Christian},
  title     = {Untersuchungen {\"u}ber die Dimerisierung der HAD-Phosphatase Chronophin},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-149777},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2017},
  abstract  = {Phosphatasen der HAD (haloacid dehalogenase)-Familie sind weit verbreitet in allen Dom{\"a}nen des Lebens und erf{\"u}llen die verschiedensten zellul{\"a}ren Aufgaben, beispielsweise in Metabolismus und Zellregulation. Die HAD-Phosphatase Chronophin zeigt Phosphataseaktivit{\"a}t unter anderem gegen{\"u}ber Pyridoxal-5'-Phosphat (PLP), einem essentiellen Kofaktor vieler biochemischer Prozesse, und Phosphocofilin, einem Regulator des Aktinzytoskeletts. Chronophin dimerisiert {\"u}ber die Interaktion zweier identischer Untereinheiten zu einem Homodimer. Ziel dieser Arbeit war, die Rolle dieser Dimerisierung, eines bei HAD-Phosphatasen weit verbreiteten Oligomerisierungszustandes, n{\"a}her zu untersuchen. Hierzu wurde die Dimerisierung erfolgreich durch den Austausch der Aminos{\"a}uren Alanin 194 und 195 zu Lysinen (Mutation A194K/A195K) gest{\"o}rt. Der Nachweis einer konstitutiv monomeren Chronophin-Mutante mittels Gr{\"o}ßenausschlusschromatographie, Rasterkraftmikroskopie, analytischer Ultra¬zentrifugation und Zellexperimenten wurde schließlich {\"u}ber die Struktur¬aufl{\"o}sung mittels R{\"o}ntgenstrukturanalyse best{\"a}tigt. Aktivit{\"a}tsmessungen der monomeren Mutante gegen{\"u}ber dem Substrat PLP zeigten eine deutliche Verminderung der Phosphataseaktivit{\"a}t. Die R{\"o}ntgenstrukturanalyse von Chronophin A194K/A195K im Vergleich mit Wildtyp-Chronophin enth{\"u}llte einen Mechanismus, wie die sogenannte Substratspezifit{\"a}tsschleife, die f{\"u}r die korrekte Positionierung des PLP sorgt, im Homodimer des Wildtyps durch Interaktionen mit dem zweiten Protomer stabilisiert wird. Diese Stabilisierung fehlt bei der monomeren Mutante und {\"a}ußert sich in einer ver{\"a}nderten Stellung der Substratspezifit{\"a}tsschliefe. Der Strukturvergleich von Chronophin mit weiteren HAD-Phosphatasen der selben strukturellen Untergruppe vom C2a-Typ l{\"a}sst eine allgemeine G{\"u}ltigkeit der hier beschriebenen allosterischen Kontrolle von Substratspezifit{\"a}t {\"u}ber Homodimerisierung bei HAD-Phosphatasen vermuten und k{\"o}nnte so neue Ansatzpunkte f{\"u}r m{\"o}glicherweise auch therapeutisch nutzbare Aktivit{\"a}tshemmungen liefern.},
  subject      = {Dimerisierung},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Knobloch2014,
  author    = {Knobloch, Gunnar},
  title     = {Biochemical and structural characterization of chronophin},
  doi       = {10.25972/OPUS-11008},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-110088},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {The haloacid dehalogenase (HAD) family of phosphatases is an ancient, ubiquitous group of enzymes, and their emerging role in human health and disease make them attractive targets for detailed analyses. This thesis comprises the biochemical and structural characterization of chronophin, an HAD-type phosphatase, which has been shown to act on Ser3-phosphorylated cofiln-1, a key regulator of actin dynamics, and on the Ser/Thr-phosphorylated steroid receptor co-activator 3 (SRC-3). Besides being a specific phosphoprotein phosphatase, chronophin also acts on the small molecule pyridoxal 5'-phosphate (PLP, vitamin B6), implying that chronophin serves as a regulator of a variety important physiological pathways. The analysis of chronophin was performed on different levels, ranging from intrinsic regulatory mechanisms, such as the allosteric regulation via dimerization or the characterization of specificity determinants, to modes of extrinsic modulation, including the association with putative interacting proteins or the generation of chronophin-specific inhibitors. The association of the previously identified putative chronophin interactors calcium- and integrinbinding protein 1 (CIB1) and calmodulin was investigated using recombinantly expressed and purified proteins. These studies revealed that the interaction of chronophin with CIB1 or calmodulin is mutually exclusive and regulated by calcium. Neither CIB1 nor calmodulin had an effect on the in vitro chronophin phosphatase activity towards PLP or phospho-cofilin-1, but might regulate other functions of this important phosphatase. The role of chronophin dimerization was studied by generating a constitutively monomeric variant, which showed reduced PLP hydrolyzing activity. X-ray crystallographic studies revealed that dimerization is essential for the positioning of the substrate specificity loop in chronophin, unraveling a previously unknown mechanism of allosteric regulation through a homophilic interaction. This mechanism potentially applies to other enzymes of the C2a subfamily of HAD-type phosphatases, as all structurally characterized members show a conserved mode of dimerization. The general determinants of substrate specificity in the C2a subfamily of HAD phosphatases were investigated by performing domain swapping experiments with chronophin and its paralog AUM and subsequent biochemical analyses of the hybrid proteins. The X-ray crystallographic structure determination of the chronophin catalytic domain equipped with the AUM capping domain revealed the first partial structure of AUM. This structural information was then used in subsequent studies that analyzed the divergent substrate specificities of AUM and chronophin in an evolutionary context. Finally, a set of four chronophin inhibitors were generated based on the structure of PLP and characterized biochemically, showing moderate inhibitory effects with IC50-values in the micromolar range. These compounds nevertheless constitute valuable tools for future in vitro experiments, such as studies concerning the structure-function relationship of chronophin as a PLP phosphatase. In addition, the crystal structure of one inhibitor bound to chronophin could be solved. These results provide the basis for the further development of competitive chronophin inhibitors with increased specificity and potency.},
  subject      = {Phosphatasen},
  language  = {en}
}