TY  - THES
A1  - Kraich, Michael
T1  - Strukturelle und funktionelle Untersuchungen der Interaktion zwischen Ligand und Rezeptor im Interleukin-4- und Interleukin-13-System
T1  - Structural and functional studies of the interaction between ligand and receptor in the interleukin-4 and interleukin-13 system
N2  - Interleukin-4 (IL-4) und Interleukin-13 (IL-13) sind bedeutende Regulatorproteine des Immunsystems. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung und dem Verlauf von allergischen Erkrankungen, wie z.B. Asthma. Um ihre Signale in die Zielzelle zu transduzieren, kann von beiden Zytokinen der gleiche Zelloberflächenrezeptor verwendet werden, wodurch sich die überlappenden, biologischen Funktionen erklären lassen. Dieser gemeinsam genutzte Rezeptor ist aus den beiden Untereinheiten IL-4Ralpha; und IL-13Ralpha1 aufgebaut. Da IL-4 und IL-13 auf Aminosäureebene nur etwa 25% Sequenzidentität besitzen und stark unterschiedliche Affinitäten zu den beiden Rezeptorketten besitzen, stellt sich die Frage, durch welchen molekularen Erkennungsmechanismus, die Affinität und die Spezifität der Ligand-Rezeptor-Interaktion unabhängig voneinander reguliert werden kann. In dieser Arbeit gelang es, rekombinante Expressions- und Aufreinigungsstrategien für IL-13 und die extrazellulären Domänen der Rezeptorketten IL-13Ralpha1 und IL-13Ralpha2 zu entwickeln. Dadurch war es mögliche, eine breite Mutations-/Interaktionsanalyse der IL-13Ralpha1-Kette durchzuführen.Es konnte gezeigt werden, dass die N-terminale FnIII-ähnliche Domäne von IL-13Ralpha1 sowohl an der Bindung von IL-13 als auch an der Interaktion mit IL-4 beteiligt ist. Im funktionellen Bindeepitop der IL-13Ralpha1-Kette wurden die Aminosäurereste Arg84, Phe253 und Tyr321 als Hauptbindungsdeterminanten für die Interaktion mit IL-13 identifiziert. Durch die Interaktionsstudien der IL-13Ralpha1-Varianten mit IL-4 wurde gezeigt, dass diese Hauptbindungsdeterminanten auch für die niederaffine Bindung von IL-4 von größter Bedeutung sind. Die funktionellen Bindeepitope für IL-4 und IL-13 auf der IL-13Ralpha1-Kette sind nahezu identisch und überlappen in einem großen Bereich. Aufgrund der Ergebnisse aus der Mutagenesestudie war es möglich, ein Strukturmodell der extrazellulären Domäne der IL-13Ralpha1-Kette zu erstellen. Darin wird eine neuartige Orientierung der N-terminalen FnIII-Domäne und deren Beteiligung an der Ligandeninteraktion dargestellt. Mit Hilfe des Strukturmodells gelang es, neue Aminosäurerest auf der Oberfläche von IL-13 zu identifizieren, die an der Bindung zu IL-13Ralpha1 beteiligt sind, was die Relevanz des Strukturmodells weiter unterstreicht. In einem weiteren Teil dieser Arbeit wurde versucht, den molekularen Mechanismus aufzuklären, durch den es den superagonistischen IL-4-Varianten T13D und F82D gelingt, mit dreifach höherer Affinität an die IL-4Ralpha-Kette zu binden, als wildtypischer Ligand. Durch strukturelle und funktionelle Untersuchungen wurde gezeigt, dass der Affinitätssteigerung ein indirekter Mechanismus zugrunde liegt, bei dem eine Konformationsänderung und die Fixierung der Arg85-Seitenkette von IL-4 zur Ausbildung von zusätzlichen Ligand-Rezeptor-Interaktionen führt. Das Bindeepitop zwischen IL-4 und der IL-4Ralpha-Kette besitzt eine modulare Architektur aus drei unabhängig voneinander agierenden Interaktionsclustern. Bei der Interaktion von wildtypischem IL-4 mit IL-4Ralpha tragen nur zwei dieser Cluster in signifikanter Weise zur freien Bindeenergie bei. Im Falle der superagonistischen IL-4-Varianten ist jedoch auch das dritte Cluster an der Generierung von zusätzlicher, freier Bindeenergie beteiligt, wodurch die Affinität zwischen Ligand und Rezeptor erhöht wird. Damit stellt der modulare Aufbau der Interaktionsfläche zwischen IL-4 und der IL-4Ralpha-Kette möglicherweise einen Mechanismus dar, über den Proteine die Affinität von Wechselwirkungen über einen großen Bereicht variieren können, ohne dabei Spezifität einzubüssen. Da IL-4 und IL-13 als interessante Zielmoleküle für die Therapie von allergischen und asthmatischen Erkrankungen erkannt worden sind, können die in der vorliegenden Arbeit gewonnenen Informationen über den Bindemechanismus und die Einblicke in den molekularen Charakter der Interaktion zwischen den beiden Zytokinen und ihren spezifischen Rezeptorketten dabei helfen, neuartige und hoch spezifische, inhibitorische Moleküle zu entwickeln.
N2  - Interleukin-4 (IL-4) and Interleukin-13 (IL-13) are important regulatory proteins of the immune system. They play a key role in the development and the progression of allergic diseases like asthma. For signal transduction into the target cell, both cytokines can use an identical cell surface receptor, which is an explanation for many overlapping biological functions of IL-4 and IL-13. This common receptor consists of the two subunits IL-4Ralpha and IL-13Ralpha1. Because IL-4 and IL-13 share only 25% sequence identity on the amino acid sequence level and because they show very different affinities to the two receptor chains, the question has to be raised, by which molecular recognition mechanism it is possible to regulate affinity and specificity of the ligand-receptor-interaction independently. In the course of this work recombinant expression and purification strategies for IL-13 and the extracellular domains of IL-13Ralpha1 and IL-13Ralpha2 were established. Therefore it was possible to perform a broad mutagenesis and interaction analysis of the IL-13Ralpha1 chain. It was shown, that the N-terminal FnIII-like domain of IL-13Ralpha1 participates in the binding of IL-13 as well as in the interaction with IL-4. As part of the functional epitope the amino acid residues Arg84, Phe253 and Tyr321 were identified to be main binding determinants for the interaction with IL-13. By carrying out interaction studies with IL-4 it could be demonstrated, that the same residues are also from great importance for the low affinity binding of IL-4. The functional epitopes for the binding of IL-4 and IL-13 are almost identical and are overlapping in a large area. Due to the results of the mutagenesis study it was possible to generate a structural model of the extracellular domain of the IL-13Ralpha1 chain. A key feature of this model is the novel orientation of the N-terminal FnIII-like domain and its involvement in ligand binding. According to the modelled structure new residues in IL-13 could be identified, that participate in the interaction with the IL-13Ralpha1. This further underlines the relevance of the shown structural model of the extracellulardomain of the IL-13Ralpha1 chain. In a different part of this work it was tried to elucidate the molecular mechanism, which enables the super-agonistic IL-4 variants T13D and F82D bind IL-4Ralpha with three times higher affinity than wildtype IL-4. With the help of structural und functional analysis it could be shown, that an indirect mechanism leads to the gain of affinity. A conformational change in and the fixation of the Arg85 side chain in IL-4 result in the formation of additional interactions between ligand and receptor. The binding interface between IL-4 and IL-4Ralpha exhibits a modular architecture consisting of three independently acting interaction clusters. For the binding of wild-type IL-4 to the IL-4Ralpha chain only two of the three clusters contribute a significant amount to the overall free binding energy. In the case of the super-agonistic IL-4 variants all three interaction clusters are used to generate additional free binding energy and to increase the affinity between ligand and receptor. Therefore the modular design of the IL-4/IL-4Ralpha interaction interface probably represents a mechanism, which enables proteins to alter the affinity of interactions over a broad range without loosing specificity. Because IL-4 and IL-13 were discovered as promising targets for the therapy of allergic and asthmatic diseases, the acquired information about the binding mechanism and the molecular characteristics of the interaction between the cytokines IL-4 and IL-13 and their specific receptor chains may help to design novel and highly specific inhibitory molecules.
KW  - Renaturierung <Biochemie>
KW  - Ligand <Biochemie>
KW  - Biochemie
KW  - Interleukin 4
KW  - Interleukin 13
KW  - Interaktion
KW  - Rezeptor
KW  - Immunologie
KW  - Allergie
KW  - Allerg
KW  - Proteinbiochemie
KW  - BIAcore
KW  - Oberflächenplasmonresonanz (SPR)
KW  - Strukturbiologie
KW  - interleukin-4
KW  - interleukin-13
KW  - protein interaction
KW  - BIAcore
KW  - structural biology
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-27655
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fischer, Andreas
T1  - The Role of Protein-Protein Interactions in the Activation Cycle of RAF Kinases
T1  - Die Rolle von Protein-Protein Interaktionen im Aktivierungszyklus der RAF Kinasen
N2  - Members of the RAF protein kinase family are key regulators of diverse cellular processes. The need for isoform-specific regulation is reflected by the fact that all RAFs not only display a different degree of activity but also perform isoform-specific functions at diverse cellular compartments. Protein-protein-interactions and phosphorylation events are essential for the signal propagation along the Ras-RAF-MEK-ERK cascade. More than 40 interaction partners of RAF kinases have been described so far. Two of the most important regulators of RAF activity, namely Ras and 14-3-3 proteins, are subject of this work. So far, coupling of RAF with its upstream modulator protein Ras has only been investigated using truncated versions of RAF and regardless of the lipidation status of Ras. We quantitatively analyzed the binding properties of full-length B- and C-RAF to farnesylated H-Ras in presence and absence of membrane lipids. While the isolated Ras-binding domain of RAF exhibit a high binding affinity to both, farnesylated and nonfarnesylated H-Ras, the full-length RAF kinases demonstrate crucial differences in their affinity to Ras. In contrast to C-RAF that requires carboxyterminal farnesylated H-Ras for interaction at the plasma membrane, B-RAF also binds to nonfarnesylated H-Ras in the cytosol. For identification of the potential farnesyl binding site we used several fragments of the regulatory domain of C-RAF and found that the binding of farnesylated H-Ras is considerably increased in the presence of the cysteine-rich domain of RAF. In B-RAF a sequence of 98 amino acids at the extreme N terminus enables binding of Ras independent of its farnesylation status. The deletion of this region altered Ras binding as well as kinase properties of B-RAF to resemble C-RAF. Immunofluorescence studies in mammalian cells revealed essential differences between B- and C-RAF regarding the colocalization with Ras. In conclusion, our data suggest that that B-RAF, in contrast to C-RAF, is also accessible for nonfarnesylated Ras in the cytosolic environment due to its prolonged N terminus. Therefore, the activation of B-RAF may take place both at the plasma membrane and in the cytosolic environment. Furthermore, the interaction of RAF isoforms with Ras at different subcellular sites may also be governed by the complex formation with 14-3-3 proteins. 14-3-3 adapter proteins play a crucial role in the activation of RAF kinases, but so far no information about the selectivity of the seven mammalian isoforms concerning RAF association and activation is available. We analyzed the composition of in vivo RAF/14-3-3 complexes isolated from mammalian cells with mass spectrometry and found that B-RAF associates with a greater variety of 14-3-3 proteins than C- and A-RAF. In vitro binding assays with purified proteins supported this observation since B-RAF showed highest affinity to all seven 14-3-3 isoforms, whereas C-RAF exhibited reduced affinity to some and A-RAF did not bind to the 14-3-3 isoforms epsilon, sigma, and tau. To further examine this isoform specificity we addressed the question of whether both homo- and heterodimeric forms of 14-3-3 proteins participate in RAF signaling. By deleting one of the two 14-3-3 isoforms in Saccharomyces cerevisiae we were able to show that homodimeric 14-3-3 proteins are sufficient for functional activation of B- and C-RAF. In this context, the diverging effect of the internal, inhibiting and the activating C-terminal 14-3-3 binding domain in RAF could be demonstrated. Furthermore, we unveil that prohibitin stimulates C-RAF activity by interfering with 14-3-3 at the internal binding site. This region of C-RAF is also target of phosphorylation as part of a negative feedback loop. Using tandem MS we were able to identify so far unknown phosphorylation sites at serines 296 and 301. Phosphorylation of these sites in vivo, mediated by activated ERK, leads to inhibition of C-RAF kinase activity. The relationship of prohibitin interference with 14-3-3 binding and phosphorylation of adjacent sites has to be further elucidated. Taken together, our results provide important new information on the isoform-specific regulation of RAF kinases by differential interaction with Ras and 14-3-3 proteins and shed more light on the complex mechanism of RAF kinase activation.
N2  - RAF Protein Kinasen sind essentielle Regulatoren verschiedener zellulärer Prozesse. Unterschiedlich starke Aktivitäten und Lokalisation der drei RAF Isoformen erfordern eine isoform-spezifische Regulation. Der Einfluss von Protein-Protein Interaktionen und Phosphorylierungen ist dabei mitentscheidend für die Signalweiterleitung entlang der Ras-RAF-MEK-ERK Kaskade. Mehr als 40 Interaktionspartner der RAF Kinasen wurden bereits beschrieben von denen zwei der wichtigsten, Ras und 14-3-3 Proteine, Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind. Die Interaktion von RAF mit seinem vorgeschaltetem Modulatorprotein Ras wurde bislang nur mit verkürzten RAF-Proteinen und ohne Rücksicht auf den Lipidierungsgrad von Ras untersucht. Wir haben die Bindeeigenschaften von B- und C-RAF in voller, nativer Länge zu farnesyliertem H-Ras in Gegenwart und Abwesenheit von Membranlipiden quantifiziert. Während die isolierte Ras-Bindungsdomäne eine hohe Affinität sowohl zu farnesyliertem als auch nicht-farnesyliertem H-Ras aufweist, zeigen die RAF Proteine in voller Länge entscheidende Unterschiede in ihrem Bindeverhalten zu Ras. C-RAF benötigt für eine effiziente Interaktion mit H-Ras dessen C-terminale Farnesylgruppe, wobei B-RAF auch an nicht-farnesyliertes H-Ras im Cytosol bindet. Um die verantwortliche Farnesylbinderegion zu identifizieren haben wir verschiedene Fragmente der regulatorischen Domäne von C-RAF eingesetzt. Dadurch konnten wir zeigen, dass die Affinität zu farnesyliertem Ras in Gegenwart der sogenannten Cystein-reichen Domäne von RAF beträchtlich erhöht war. In B-RAF ist eine Sequenz von 98 Aminosäuren am N-Terminus verantwortlich für die Ras-Bindung unabhängig von dessen Farnesylierungszustand. Die Deletion dieser Sequenz von B-RAF veränderte die Ras-Bindungseigenschaften sowie die Kinaseaktivität vergleichbar mit C-RAF. Durch Immunfluoreszenzversuche in Säugerzellen konnten darüber hinaus Unterschiede in der Kolokalisation von B- und C-RAF mit Ras beobachtet werden. Zusammenfassend deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass B-RAF, im Gegensatz zu C-RAF, aufgrund seines verlängerten N-Terminus in der Lage ist bereits im Cytosol auch mit unfarnesyliertem Ras zu interagieren, wodurch die Aktivierung von B-RAF sowohl im Cytosol als auch an der Plasmamenbran erfolgen kann. Die Interaktion der RAF-Isoformen mit Ras in unterschiedlichen zellulären Kompartimenten kann aber auch durch die Komplexbildung mit 14-3-3 Proteinen beeinflusst werden. Die 14-3-3 Adapter Proteine spielen eine entscheidende Rolle im Aktivierungszyklus der RAF Proteine. Bislang waren jedoch keine Details bezüglich der Selektivität der sieben 14-3-3 Isoformen aus Säugerzellen hinsichtlich der Assoziation mit und Aktivierung der RAF Kinasen bekannt. Wir haben RAF/14-3-3 Komplexe aus Säugerzellen isoliert und durch Massenspektrometrie analysiert. Dadurch konnten wir zeigen, dass B-RAF mit einer größeren Vielfalt an 14-3-3 Isoformen bindet als C- und A-RAF. In vitro Bindungsversuche mit gereinigten Proteinen bestätigten die höhere Affinität von B-RAF zu allen sieben Säuger-14-3-3 Proteinen. C-RAF dagegen zeigte eine deutlich reduzierte Affinität, während für A-RAF keine Bindung zu den 14-3-3 Isoformen epsilon, sigma, und tau festgestellt wurde. Um diese Isoformspezifität weiter aufzuklären haben wir untersucht, ob sowohl Homo- als auch Heterodimere von 14-3-3 in der Lage sind die RAF-Signaltransduktion zu beeinflussen. Durch die Deletion einer der beiden 14-3-3 Isoformen aus Saccharomyces cerevisiae konnten wir zeigen, dass bereits ein 14-3-3 Homodimer für die korrekte Aktivierung von B- und C-RAF ausreichend ist. In diesem Zusammenhang konnte auch die Rolle der internen, inhibierenden 14-3-3 Bindestelle in RAF gegenüber der C-terminalen, aktivierenden Stelle dargelegt werden. Zusätzlich zeigen wir, dass Prohibitin seinen aktivierenden Einfluss gegenüber C-RAF durch die Beeinträchtigung der 14-3-3 Bindung an der internen Stelle in RAF ausübt. Diese Region in C-RAF ist das Ziel von Phosphorylierungen im Zuge eines negativen Rückkopplungsmechanismus. Durch den Einsatz von Tandem-Massenspektrometrie konnten wir bislang unbekannte Phosphorylierungsstellen an den Serinen 296 und 301 identifizieren deren ERK-vermittelte Phosphorylierung in vivo eine Inaktivierung der C-RAF bewirkt. Der Zusammenhang zwischen der Behinderung der 14-3-3 Anlagerung durch Prohibitin und die Phosphorylierung in unmittelbarer Nachbarschaft bedarf weiterer Untersuchungen. Zusammengefasst liefern unsere Ergebnisse wichtige Informationen bezüglich der isoform-spezifischen Regulation der RAF Kinasen durch die Interaktion mit Ras und 14-3-3 Proteinen und helfen die komplexen Mechanismen der RAF Aktivierung weiter aufzuklären.
KW  - Signaltransduktion
KW  - Raf <Biochemie>
KW  - Biochemie
KW  - Ras
KW  - H-ras
KW  - Proteininteraktion
KW  - signal transduction
KW  - biochemistry
KW  - Ras
KW  - Raf
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-48139
N1  - Aus rechtlichen Gründen sind die in der Dissertation abgedruckten, bereits in Zeitschriften veröffentlichten Artikel (Seiten 34 - 80) nicht in der elektronischen Version enthalten.
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zanucco, Emanuele
T1  - Role of oncogenic and wild type B-RAF in mouse lung tumor models
T1  - Untersuchungen zur Rolle der onkogenen und wildtypischen B-RAF Kinase in Lungentumormodellen der Maus
N2  - Von Wachstumsfaktoren regulierte Signalkaskaden sind Schlüsselelemente in der Gewebeentwicklung und Geweberegeneration. Eine Deregulation dieser Kaskaden führt zu Entwicklungsstörungen und neoplastischen Krankheiten. Für viele humane Krebsformen sind aktivierende Mutationen der Kinasen der RAF Familie verantwortlich. Das erste Projekt dieser Doktorarbeit fokussiert auf der Rolle des B-RAF V600E, welches als eine der am häufigsten vorkommenden Mutantionen in humanen Krebszellen identifiziert worden ist. Um die onkogene Funktion des B-RAF V600E zu untersuchen, haben wir transgene Mauslinien hergestellt, welche das aktivierte Onkogen spezifisch in alveolaren Lungenepithelzellen des Typ II exprimieren. Konstitutive Expression des B-RAF V600E führte zu einer abnormen alveolaren Epithelzellbildung und zu Emphysem-ähnlichen Läsionen. Diese Läsionen wiesen Zeichen einer Gewebsumstrukturierung auf, oft in Assoziation mit chronischer Inflammation und geringer Inzidenz von Lungentumoren. Die Infiltration der entzündlichen Zellen erfolgte erst nach der Entstehung von Emphysem-ähnlichen Läsionen und könnte zur späteren Tumorbildung beigetragen haben. Diese Ergebnisse unterstützen ein Modell, in welchem der kontinuierliche regenerative Prozess eine tumorfördernde Umgebung schafft. Dabei induziert die Aktivität des onkogenen B-RAF eine alveolare Störung, welche ursächlich verantwortlich ist für den kontinuierlichen regenerativen Prozess. Das zweite Projekt fokussiert auf die Rolle von endogenem (wildtypischen) B-RAF in einem durch onkogenes C-RAF induzierten Maus Lungentumormodell. Für unsere Untersuchungen haben wir eine Mauslinie geschaffen, in welcher B-RAF in den C-RAF Lungentumoren konditionell eliminiert werden kann. Eine konditionelle Eliminierung des B-RAF hat die Entstehung von Lungentumoren nicht blockiert, aber zu reduziertem Tumorwachstum geführt. Dieses reduzierte Tumorwachstum konnte auf eine reduzierte Zellproliferation zurückgeführt werden. Außerdem konnten wir durch die B-RAF Elimination eine Reduktion der Intensität der mitogenen Signalkaskade beobachten. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass das onkogene Potential von C-RAF in vivo unabhängig von B-RAF ist und eine Kooperation von B-RAF und C-RAF jedoch für die vollständige Aktivierung der mitogenen Signalkaskade wichtig ist.
N2  - Growth factor induced signaling cascades are key regulatory elements in tissue development, maintenance and regeneration. Deregulation of the cascades has severe consequences, leading to developmental disorders and neoplastic diseases. As a major function in signal transduction, activating mutations in RAF family kinases are the cause of many human cancers. In the first project described in this thesis we focused on B-RAF V600E that has been identified as the most prevalent B-RAF mutant in human cancer. In order to address the oncogenic function of B-RAF V600E, we have generated transgenic mice expressing the activated oncogene specifically in lung alveolar epithelial type II cells. Constitutive expression of B-RAF V600E caused abnormalities in alveolar epithelium formation that led to airspace enlargements. These lung lesions showed signs of tissue remodeling and were often associated with chronic inflammation and low incidence of lung tumors. Inflammatory cell infiltration did not precede the formation of emphysema-like lesions but was rather accompanied with late tumor development. These data support a model where the continuous regenerative process initiated by oncogenic B-RAF-driven alveolar disruption provides a tumor-promoting environment associated with chronic inflammation. In the second project we focused on wild type B-RAF and its role in an oncogenic-C-RAF driven mouse lung tumor model. Toward this aim we have generated compound mice in which we could conditionally deplete B-RAF in oncogenic-C-RAF driven lung tumors. Conditional elimination of B-RAF did not block lung tumor formation however led to reduced tumor growth. The diminished tumor growth was not caused by increased cell death instead was a consequence of reduced cell proliferation. Moreover, B-RAF ablation caused a reduction in the amplitude of the mitogenic signalling cascade. These data indicate that in vivo B-RAF is dispensable for the oncogenic potential of active C-RAF; however it cooperates with oncogenic C-RAF in the activation of the mitogenic cascade.
KW  - Lungenkrebs
KW  - Biochemie
KW  - Maus
KW  - Lung cancer
KW  - RAF
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-69603
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kober, Franz-Xaver Wilhelm
T1  - Molecular insights into the protein disulfide isomerase family
T1  - Molekulare Mechanismen der Protein Disulfid Isomerase Familie
N2  - Upon synthesis, nascent polypeptide chains are subject to major rearrangements of their side chains to obtain an energetically more favorable conformation in a process called folding. About one third of all cellular proteins pass through the secretory pathway and undergo oxidative folding in the endoplasmic reticulum (ER). During oxidative folding, the conformational rearrangements are accompanied by the formation of disulfide bonds – covalent bonds between cysteine side chains that form upon oxidation. Protein disulfide isomerase (PDI) assists in the folding of substrates by catalyzing the oxidation of pairs of cysteine residues and the isomerization of disulfide bonds as well as by acting as chaperones. In addition to PDI itself, a family of related ER-resident proteins has formed. All PDI family members share the thioredoxin fold in at least one of their domains and exhibit a subset of the PDI activities. Despite many studies, the role of most PDI family members remains unclear. The project presented in this thesis was aimed to establish tools for the biochemical characterization of single members of the PDI family and their role in the folding process. A combination of fluorescence based assays was developed to selectively study single functions of PDI family members and relate their properties of either catalysis of oxidation or catalysis of isomerization or chaperone activity to the rest of the protein family. A binding assay using isothermal titration calorimetry (ITC) was established to complement the activity assays. Using ITC we could show for the first time that members of the PDI family can distinguish between folded and unfolded proteins selectively binding the latter. The unique information provided by this method also revealed a two-site binding of unfolded proteins by PDI itself. In addition to the functional characterization, experiments were conducted to further investigate the oligomeric state of PDI. We could show that the equilibrium between structurally different states of PDI is heavily influenced by the redox state of the protein and its environment. This new data could help to further our understanding of the interplay between oxidases like PDI and their regenerative enzymes like Ero1, which may be governed by structural changes in response to the change in redox status. Another structural approach was the screening of all investigated PDI family members for suitable crystallization conditions. As a result of this screening we could obtain protein crystals of human ERp27 and were able to solve the structure of this protein with X-ray crystallography. The structure gives insight into the mechanisms of substrate binding domains within the PDI family and helps to understand the interaction of ERp27 with the redox active ERp57. In collaboration with the group of Heike Hermanns we could further show the physiological importance of this interaction under oxidative stress. In conclusion, the project presented in this thesis provides novel tools for an extensive analysis of the activities of single PDI family members as well as a useful set of methods to characterize novel oxidoreductases and chaperones. The initial results obtained with the our novel methods are very promising. At the same time, the structural approach of this project could successfully solve the structure of a PDI family member and give information about the interplay within the PDI family.
N2  - Umlagerungsprozess nennt man Proteinfaltung. Schätzungsweise ein Drittel aller zellulären Proteine werden über den sekretorischen Transportweg geschleust und durchlaufen die oxidative Proteinfaltung im endoplasmatischen Retikulum (ER). Während der oxidativen Faltung werden zusätzlich zur Umlagerung von Seitenketten auch Disulfidbrücken gebildet. Dies sind kovalente Bindungen zwischen Zystein-Seitenketten durch Oxidation entstehen. Protein Disulfid Isomerase (PDI) unterstützt die Faltung von Proteinen im ER indem es die Oxidation zweier Zystein- Seitenketten katalysiert. Neben der Oxidation katalysiert PDI ebenfalls die Isomerisierung von fehlverknüpften Disulfidbrücken und wirkt als Chaperon der Aggregation entgegen. Im Laufe der Evolution hat sich zusätzlich zu PDI eine Gruppe verwandter ER-lokalisierter Proteine gebildet. Diese Mitglieder der PDI-Familie weisen alle das Thioredoxin-Faltungsmotiv in mindestens einer ihrer Domänen auf und besitzen mindestens eine der drei PDI-Aktivitäten. Trotz eingehender Untersuchung ist die Rolle der meisten dieser PDI Familienmitglieder weiterhin unklar. Im Rahmen des Projekts, welches dieser Dissertation zugrunde liegt, wurden Methoden zur biochemischen Charakterisierung einzelner Mitglieder der PDI-Familie, und deren Rolle im Faltungsprozess, entwickelt. Eine Kombination von Fluoreszenzexperimenten wurde etabliert mit der selektiv einzelne Aktivitäten von Faltungshelfern analysiert und qualitativ in die PDI- Familie eingeordnet werde können. Diese fluoreszenzbasierten Methoden wurden durch isothermale Titrationkalorimetrie (ITC) ergänzt. Mit ITC konnten wir als Erste zeigen, dass PDI- Familienmitglieder gefaltete von ungefalteten Proteinen unterscheiden können und letztere selektiv binden. Die zusätzlichen Informationen, die in einem ITC-Experiment gewonnen wurden, zeigten, dass PDI mit Substraten mit Hilfe von zwei unterschiedlichen Bindungsstellen interagiert. Neben der funktionellen Analyse der PDI-Familie wurde Experimente durchgeführt um den oligomeren Zustand von PDI näher zu untersuchen. Wir konnten zeigen, dass das Gleichgewicht zwischen strukturell verschiedenen Zuständen entscheidend vom Redox-Status von PDI abhängt. Diese neuen Daten werfen ein neues Licht auf die Interaktion zwischen Oxidasen wie PDI und ihren regenerativen Enzymen wie Ero1. Diese Interaktion könnte sehr wohl durch strukturelle Veränderungen, ausgelöst durch Redox-Reaktionen, reguliert werden. Als weiteren strukturellen Ansatz zur Erforschung der PDI-Familie wurden alle verwendeten Familienmitglieder auf aussichtsreiche Kristallisationsbedingungen hin untersucht. Durch dieses Screening konnte ERp27 kristallisiert und seine Struktur durch Röntgenkristallografie aufgeklärt werden. Die so gewonnene Struktur gibt Aufschluss über die Mechanismen der Substratbindung in der PDI- Familie und hilft ebenfalls dabei, die Interaktion zwischen ERp27 und dem redoxaktiven ERp57 besser zu verstehen. Auf Grund dieser Daten konnten wir gemeinsam mit der Gruppe von Heike Hermanns die physiologische Bedeutung dieser Interaktion bei oxidativem Stress aufzeigen. Zusammenfassend konnten im Rahmen dieses Projektes neue Werkzeuge zur eingehenden Analyse der PDI-Familie etabliert werden, welche auch zur Charakterisierung neuer Oxidoreduktasen und Chaperone verwendet werden können. Die ersten Ergebnisse die mit Hilfe dieser neuen Methoden gewonnen werden konnten sind vielversprechen. Gleichzeitig konnten wir mit ERp27 die Struktur eines weiteren PDI-Familienmitgliedes lösen und so weitere Einblicke in das komplexe Netzwerk der PDI-Familie gewinnen.
KW  - Biochemie
KW  - Proteinfaltung
KW  - Disulfidbrücken
KW  - Protein Disulfid Isomerase
KW  - Biochemistry
KW  - protein folding
KW  - disulfide bonds
KW  - protein disulfide isomerase
KW  - PDI
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-72144
ER  - 
TY  - THES
A1  - Linder, Bastian
T1  - Systemischer Spleißfaktormangel im Zebrafisch Danio rerio – Etablierung und Charakterisierung eines Tiermodells für Retinitis pigmentosa
T1  - Systemic splicing factor deficiency causes tissue-specific defects: a zebrafish model for retinitis pigmentosa
N2  - Retinitis pigmentosa (RP) ist eine vererbte Form der Erblindung, die durch eine progressive Degeneration von Photorezeptorzellen in der Retina verursacht wird. Neben „klassischen“ RP-Krankheitsgenen, die direkt oder indirekt mit dem Sehprozess und der Aufrechterhaltung der Photorezeptoren in Verbindung stehen, können auch Mutationen in Genen für konstitutive Spleißfaktoren zur Photorezeptordegeneration führen. RP kann daher als Paradebeispiel einer Erkrankung mit paradoxer Gewebespezifität angesehen werden: Defekte in essentiellen und ubiquitär exprimierten Genen führen zu einem Phänotyp, der nur wenige Zelltypen betrifft. Um Einblicke in diesen außergewöhnlichen Pathomechanismus zu erhalten, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Tiermodell für Spleißfaktor-vermittelte RP im Zebrafisch Danio rerio etabliert. Zunächst wurde gezeigt, dass eine RP verursachende Punktmutation des Spleißfaktors Prpf31 auch in dessen Zebrafisch-Homolog zu einem Verlust der physiologischen Aktivität führt. Als Modell für die Prpf31-Mangelsituation diente dann die durch ein Antisense-Morpholino induzierte partielle Reduktion der Prpf31-Expression in Zebrafischlarven. Konsistent mit einem RP-Phänotyp zeigte sich in diesen Larven eine starke Beeinträchtigung des Sehvermögens. Sie wurde – ebenfalls analog zu RP – durch defekte Photorezeptoren verursacht, die bei ansonsten normal entwickelter Retina eine deutlich veränderte Morphologie aufwiesen. Daraufhin konnten in einer genomweiten Transkriptomanalyse der Augen von Prpf31-defizienten Larven erstmals in vivo photorezeptorspezifische Gene identifiziert werden, deren Expression durch den Mangel an Prpf31 beeinträchtigt war. Im zweiten Teil der Arbeit wurde untersucht, ob es neben den bereits bekannten RP-Krankheitsgenen weitere Spleißfaktoren gibt, deren Defekt die Degeneration von Photorezeptoren auslösen kann. Dazu wurde in Zebrafischlarven ein Mangel an Prpf4 erzeugt, einem Spleißfaktor, der bislang nicht mit RP in Verbindung gebracht worden war. Der Phänotyp dieser Fische war nicht von dem des Prpf31 RP-Modells zu unterscheiden. Dies lieferte einen Hinweis darauf, dass auch Defekte in Prpf4 in der Lage sein könnten, RP auszulösen. Tatsächlich konnte durch genetisches Screening ein RP-Patient mit einer Punktmutation in Prpf4 identifiziert werden (Kollaboration mit Hanno Bolz, Universität Köln). Die biochemische Analyse dieser Mutation zeigte, dass sie zu einem Defekt der Integration von Prpf4 in spleißosomale Untereinheiten und zu dessen Funktionsverlust in vivo führt. Mit dem in dieser Arbeit etablierten Tiermodell konnte zum ersten Mal in vivo ein von Spleißfaktor-Mutationen verursachter Pathomechanismus von Retinitis pigmentosa nachvollzogen werden. Die vom Prpf31-Mangel betroffenen Photorezeptortranskripte stellen vielversprechende Kandidaten für die Vermittlung der Gewebespezifität dar und unterstützen die Hypothese, dass ihre ineffiziente Prozessierung den RP-Phänotyp auslöst. Die Entdeckung eines weiteren Spleißfaktors, dessen Defizienz ebenfalls zu defekten Photorezeptoren führt, zeigt, dass offenbar der Funktionsverlust des Spleißosoms generell in der Lage ist, die Degeneration dieser Zellen zu verursachen. Dies ist nicht zuletzt auch von klinischer Relevanz, da vermutet werden kann, dass sich unter den vielen bisher nicht identifizierten RP-Krankheitsgenen weitere Spleißfaktoren befinden.
N2  - Retinitis pigmentosa (RP) is a hereditary eye disease marked by the progressive degeneration of photoreceptor cells in the retina. Typical RP disease gene products are involved in visual function or photoreceptor maintenance. However, also mutations in constitutive splicing factors have been shown to cause this type of photoreceptor degeneration. In humans, almost all transcripts need to be processed by the spliceosome and hence its constitutive components are considered to be essential in all cells of the body. RP therefore serves as a paradigm for diseases with a tissue specificity paradox: Defects in essential and ubiquitously expressed genes lead to a phenotype that affects only a small subset of cells or tissues. To gain insight into this unusual etiology, an animal model for splicing factor-linked RP was established in the zebrafish Danio rerio. First, it was shown that an RP-causing missense mutation in the splicing factor Prpf31 leads to a loss of its physiological activity not only in humans, but likewise in zebrafish. The resulting splicing factor deficiency was then modeled in zebrafish embryos by the injection of an antisense morpholino that blocked Prpf31 translation. Consistent with an RP-like phenotype, partial silencing of Prpf31 led to a marked reduction in visual function. This was – again similar to what is observed in RP – caused by severe photoreceptor defects, as these cells presented a highly aberrant morphology in an otherwise normal retina. Consequently, a genome-wide transcriptome analysis of these animals for the first time resulted in the identification of photoreceptor-specific transcripts which show altered expression in vivo due to Prpf31 deficiency. The second part of this work followed the hypothesis that mutations in other splicing factors may likewise elicit photoreceptor degeneration. Therefore, the splicing factor Prpf4, which was not linked to RP prior to this work, was silenced in zebrafish embryos by the injection of an antisense morpholino. The phenotype of these fish was indistinguishable from the Prpf31 RP-model. Defects in Prpf4 might hence be able to cause the degeneration of photoreceptors. Consistent with this, an RP patient with a missense mutation of Prpf4 was identified (in collaboration with Hanno Bolz, University of Cologne). The biochemical analysis of this mutation revealed that it leads to a defect in the integration of Prpf4 into spliceosomal subunits and to its loss of function in vivo. The animal model established in this work for the first time allowed studying the etiology of splicing factor-linked RP in photoreceptors in vivo. The photoreceptor transcripts affected by Prpf31 deficiency are promising candidates for mediating the tissue-specificity of the disease and support the hypothesis that their inefficient processing triggers the RP-phenotype. The identification of another splicing factor, whose deficiency leads to defective photoreceptors, shows that a loss of spliceosomal function in general is able to cause the degeneration of these cells. This is also of clinical relevance, as it shows that the large list of unknown RP disease genes might include even more splicing factors.
KW  - RNS-Spleißen
KW  - Spleißen
KW  - Spleißosom
KW  - Retinopathia pigmentosa
KW  - Tiermodell
KW  - Zebrabärbling
KW  - RNA Spleißen
KW  - Zebrafisch
KW  - Tiermodell
KW  - Retinitis pigmentosa
KW  - Biochemie
KW  - pre-mRNA splicing
KW  - zebrafish
KW  - animal model
KW  - Retinitis pigmentosa
KW  - biochemistry
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-69965
ER  - 
TY  - THES
A1  - Delto, Carolyn Francesca
T1  - Structural and Biochemical Characterization of the GABA(A) Receptor Interacting Protein Muskelin
T1  - Strukturelle und Biochemische Charakterisierung des GABA(A) Rezeptor interagierenden Proteins Muskelin
N2  - In a study from 2011, the protein muskelin was described as a central coordinator of the retrograde transport of GABA(A) receptors in neurons. As muskelin governs the transport along actin filaments as well as microtubules, it might be the first representative of a novel class of regulators, which coordinate cargo transport across the borders of these two independent systems of transport paths and their associated motorproteins. To establish a basis for understanding the mode of operation of muskelin, the aim of this thesis was an in-depth biochemical and structural characterization of muskelin and its interaction with the GABA(A) receptor.
One focus of the work was the analysis of the oligomerization of muskelin. As could be demonstrated, the oligomerization is based on two independent interactions mediated by different domains of the protein: a known interaction of the N-terminal discoidin domain with the C-terminal portion, termed head-to-tail interaction, and a dimerization of the LisH motif in muskelin that was so far neglected in the literature. For the detailed studies of both binding events, the solution of a crystal structure of a fragment of muskelin, comprising the Discoidin domain and the LisH motif, was an important basis. The fragment crystallized as a dimer, with dimerization being mediated solely by the LisH motif. Biochemical analysis corroborated that the LisH motif in muskelin serves as a dimerization element, and, moreover, showed that the C-terminal domain of the protein substantially stabilizes this dimerization. In addition, the crystal structure revealed the molecular composition of the surface of the head in the head-to-tail interaction, namely the discoidin domain. This information enabled to map the amino acids contributing to binding, which showed that the binding site of the head-to-tail interaction coincides with the generic ligand binding site of the discoidin domain.
As part of the analyses, residues that are critical for LisH-dimerization and the head-to-tail binding, respectively, were identified, whose mutation specifically interfered with each of the interactions separately. These mutations allowed to investigate the interplay of these interactions during oligomerization. It could be shown that recombinant muskelin assembles into a tetramer to which both interactions, the LisH-dimerization and the head-to-tail binding, contribute independently. When one of the two interactions was disturbed, only a dimer mediated via the respective other interaction could be formed; when both interactions were disturbed, the protein was present as monomer. Furthermore, Frank Heisler in the group of Matthias Kneussel was able to show the drastic impact of an impaired LisH-dimerization on muskelin in cells using these mutations. Disturbing the LisH-dimerization led to a complete redistribution of the originally cytoplasmic muskelin to the nucleus which was accompanied by a severe impairment of its function during GABA(A) receptor transport. Following up on these results in an analysis of muskelin variants, for which alterations of the subcellular localization had been published earlier, the crucial influence of LisH-dimerization to the subcellular localization and thereby the role of muskelin in the cell was confirmed.
The biochemical studies of the interaction of muskelin and the alpha1 subunit of the GABA(A) receptor demonstrated a direct binding with an affinity in the low micromolar range, which is mediated primarily by the kelch repeat domain in muskelin. For the binding site on the GABA(A) receptor, it was confirmed that the thirteen most C-terminal residues of the intracellular domain are critical for the binding of muskelin. In accordance with the strong conservation of these residues among the alpha subunits of the GABA(A) receptor, it could be shown that an interaction with muskelin in vitro is also possible for the alpha2 and alpha5 subunits. Based on the comparison of the binding sites between the homologous subunits, tentative conclusions can be drawn about the details of the binding, which may serve as a starting point for follow-up studies.
This thesis thereby makes valuable contributions to the understanding of muskelin, in particular the significance of its oligomerization. It furthermore provides an experimental framework for future studies that address related topics, such as the characterization of other muskelin interaction partners, or the questions raised in this work.
N2  - Das Protein Muskelin wurde in einer Studie aus dem Jahr 2011 als zentraler Koordinator des retrograden Transports von GABA(A)-Rezeptoren in Neuronen beschrieben. Da Muskelin den Transport des Rezeptors sowohl entlang von Aktinfilamenten als auch Mikrotubuli steuert, könnte es der erste bekannte Vertreter einer neuen Klasse von Regulatoren sein, die den Transport einer Fracht über die Grenzen dieser beiden unabhängigen Systeme von Transportwegen und der damit assoziierten Motorproteine hinweg koordinieren. Um Grundlagen für das Verständnis der Wirkungsweise von Muskelin zu schaffen, war das Ziel dieser Arbeit die biochemische und strukturelle Charakterisierung von Muskelin und seiner Interaktion mit dem GABA(A)-Rezeptor.
Ein Schwerpunkt der Arbeit lag dabei auf der Analyse der Oligomerisierung von Muskelin. Wie gezeigt werden konnte, beruht die Oligomerisierung auf zwei unabhängigen, von verschiedenen Domänen des Proteins vermittelten Bindungen: zum Einen auf einer bereits bekannten Wechselwirkung der N-terminalen Discoidin-Domäne und des C-terminalen Teils (anschaulich als Head-to-tail, englisch für Kopf-an-Schwanz, bezeichnet), zum Anderen auf einer in der Literatur bisher außer Acht gelassenen Dimerisierung des LisH-Motivs in Muskelin.
Für die detaillierten Studien beider Bindungen lieferte die Aufklärung der Kristallstruktur eines Teilstücks von Muskelin, das die Discoidin-Domäne und das LisH-Motiv umfasst, eine wichtige Grundlage. Das Teilstück kristallisierte als Dimer, wobei die Dimerisierung ausschließlich über das LisH-Motiv vermittelt wurde. Die biochemischen Analysen bestätigten, dass das LisH-Motiv in Muskelin als Dimerisierungselement wirkt, und zeigten darüber hinaus, dass die C-terminale Domäne des Proteins diese Dimerisierung wesentlich stabilisiert. Zudem offenbarte die Kristallstruktur den molekularen Aufbau der Oberfläche des Kopfes in der Head-to-tail-Bindung, der Discoidin-Domäne. Die Kartierung der zur Bindung beitragenden Aminosäuren belegte, dass die Bindungsstelle der Head-to-tail-Interaktion mit der generischen Ligandenbindungsstelle der Discoidin-Domäne zusammenfällt.
Als Teil der Analysen wurden zur LisH-Dimerisierung oder zur Head-to-tail-Bindung kritisch beitragende Aminosäurenseitenketten identifiziert, durch deren Mutationen
Ispezifisch jeweils eine der beiden Interaktionen unterbunden werden konnte. Diese Mutationen ermöglichten es, das Zusammenspiel der Bindungen in der Oligomerisierung zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass rekombinantes Muskelin ein Tetramer bildet, wozu beide Interaktionen, die LisH-Dimerisierung und die Head-to-tail-Bindung, unabhängig beitragen. Wurde jeweils eine der beiden Interaktionen durch Mutation gestört, konnte nur noch ein über die jeweils andere Interaktion vermitteltes Dimer gebildet werden, bei gleichzeitiger Störung beider Interaktionen lag das Protein als Monomer vor. Darüber hinaus konnte Frank Heisler in der Arbeitsgruppe von Matthias Kneussel mit Hilfe dieser Mutationen zeigen, dass eine Störung der LisH-Dimerisierung drastische Auswirkungen auf Muskelin in Zellen hat. Die Störung der LisH-Dimerisierung führte zu einer vollständigen Umverteilung des sonst im Zytoplasma lokalisierten Muskelins in den Kern, begleitet von einer starken Beeinträchtigung seiner Funktion im Transport des GABA(A)-Rezeptors. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurde durch Analysen der oligomeren Zustände von Muskelin-Varianten, für die in der Literatur eine veränderte Lokalisation beschrieben worden war, die entscheidende Bedeutung der LisH-Dimerisierung für die subzelluläre Verteilung und damit die Rolle von Muskelin in der Zelle bekräftigt.
Die biochemischen Studien der Interaktion von Muskelin und der alpha1-Untereinheit des GABA(A)-Rezeptors demonstrierten eine direkte Bindung mit mikromolarer Affinität, die in Muskelin vorwiegend durch die Kelch-repeat-Domäne vermittelt wird. Für die Bindungsstelle auf Seite des GABA(A)-Rezeptors wurde bestätigt, dass die dreizehn C-terminalen Reste der intrazellulären Domäne entscheidend sind. In Übereinstimmung mit der starken Konservierung dieser Reste in verschiedenen alpha-Untereinheiten des GABA(A)-Rezeptors, konnte gezeigt werden, dass in vitro eine Bindung von Muskelin auch an die intrazelluläre Domäne der alpha2- und alpha5-Untereinheit möglich ist. Anhand des Vergleichs der Bindungsstelle zwischen den homologen Untereinheiten lassen sich erste Rückschlüsse auf die Details der Interaktion ziehen, die als Anknüpfungspunkt für kommende Studien dienen können.
Diese Arbeit liefert damit wesentliche Beiträge zum Verständnis von Muskelin, insbesondere der Bedeutung seiner Oligomerisierung. Sie bietet zudem ein experimentelles Rahmenwerk für zukünftige Studien, die sich verwandten Themen, wie der Charakterisierung weiterer Interaktionen von Muskelin, oder den in dieser Arbeit aufgeworfenen Fragen widmen.
KW  - Oligomerisation
KW  - GABA-Rezeptor
KW  - Muskelin
KW  - Oligomerization
KW  - GABA(A) receptor
KW  - Interaction analysis
KW  - Strukturanalyse
KW  - Biochemie
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-115922
ER  -