TY - JOUR A1 - Bankoglu, Ezgi Eyluel A1 - Schuele, Carolin A1 - Stopper, Helga T1 - Cell survival after DNA damage in the comet assay JF - Archives of Toxicology N2 - The comet assay is widely used in basic research, genotoxicity testing, and human biomonitoring. However, interpretation of the comet assay data might benefit from a better understanding of the future fate of a cell with DNA damage. DNA damage is in principle repairable, or if extensive, can lead to cell death. Here, we have correlated the maximally induced DNA damage with three test substances in TK6 cells with the survival of the cells. For this, we selected hydrogen peroxide (H\(_{2}\)O\(_{2}\)) as an oxidizing agent, methyl methanesulfonate (MMS) as an alkylating agent and etoposide as a topoisomerase II inhibitor. We measured cell viability, cell proliferation, apoptosis, and micronucleus frequency on the following day, in the same cell culture, which had been analyzed in the comet assay. After treatment, a concentration dependent increase in DNA damage and in the percentage of non-vital and apoptotic cells was found for each substance. Values greater than 20-30% DNA in tail caused the death of more than 50% of the cells, with etoposide causing slightly more cell death than H\(_{2}\)O\(_{2}\) or MMS. Despite that, cells seemed to repair of at least some DNA damage within few hours after substance removal. Overall, the reduction of DNA damage over time is due to both DNA repair and death of heavily damaged cells. We recommend that in experiments with induction of DNA damage of more than 20% DNA in tail, survival data for the cells are provided. KW - Cell death and comet assay KW - DNA damage KW - DNA repair Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-265339 VL - 95 IS - 12 ER - TY - JOUR A1 - Wagner, Michael A1 - Sadek, Mirna S. A1 - Dybkova, Nataliya A1 - Mason, Fleur E. A1 - Klehr, Johann A1 - Firneburg, Rebecca A1 - Cachorro, Eleder A1 - Richter, Kurt A1 - Klapproth, Erik A1 - Kuenzel, Stephan R. A1 - Lorenz, Kristina A1 - Heijman, Jordi A1 - Dobrev, Dobromir A1 - El-Armouche, Ali A1 - Sossalla, Samuel A1 - Kämmerer, Susanne T1 - Cellular mechanisms of the anti-arrhythmic effect of cardiac PDE2 overexpression JF - International Journal of Molecular Sciences N2 - Background: Phosphodiesterases (PDE) critically regulate myocardial cAMP and cGMP levels. PDE2 is stimulated by cGMP to hydrolyze cAMP, mediating a negative crosstalk between both pathways. PDE2 upregulation in heart failure contributes to desensitization to β-adrenergic overstimulation. After isoprenaline (ISO) injections, PDE2 overexpressing mice (PDE2 OE) were protected against ventricular arrhythmia. Here, we investigate the mechanisms underlying the effects of PDE2 OE on susceptibility to arrhythmias. Methods: Cellular arrhythmia, ion currents, and Ca\(^{2+}\)-sparks were assessed in ventricular cardiomyocytes from PDE2 OE and WT littermates. Results: Under basal conditions, action potential (AP) morphology were similar in PDE2 OE and WT. ISO stimulation significantly increased the incidence of afterdepolarizations and spontaneous APs in WT, which was markedly reduced in PDE2 OE. The ISO-induced increase in I\(_{CaL}\) seen in WT was prevented in PDE2 OE. Moreover, the ISO-induced, Epac- and CaMKII-dependent increase in I\(_{NaL}\) and Ca\(^{2+}\)-spark frequency was blunted in PDE2 OE, while the effect of direct Epac activation was similar in both groups. Finally, PDE2 inhibition facilitated arrhythmic events in ex vivo perfused WT hearts after reperfusion injury. Conclusion: Higher PDE2 abundance protects against ISO-induced cardiac arrhythmia by preventing the Epac- and CaMKII-mediated increases of cellular triggers. Thus, activating myocardial PDE2 may represent a novel intracellular anti-arrhythmic therapeutic strategy in HF. KW - PDE2 KW - arrhythmia KW - CaMKII KW - heart failure Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-285888 SN - 1422-0067 VL - 22 IS - 9 ER - TY - THES A1 - Anton, Selma T1 - Characterization of cAMP nanodomains surrounding the human Glucagon-like peptide 1 receptor using FRET-based reporters T1 - Charakterisierung der Rezeptor-assoziierten cAMP Nanodomänen des humanen Glucagon-like peptide 1 Rezeptors mittels FRET-basierter Sensoren N2 - Cyclic adenosine monophosphate (cAMP), the ubiquitous second messenger produced upon stimulation of GPCRs which couple to the stimulatory GS protein, orchestrates an array of physiological processes including cardiac function, neuronal plasticity, immune responses, cellular proliferation and apoptosis. By interacting with various effector proteins, among others protein kinase A (PKA) and exchange proteins directly activated by cAMP (Epac), it triggers signaling cascades for the cellular response. Although the functional outcomes of GSPCR-activation are very diverse depending on the extracellular stimulus, they are all mediated exclusively by this single second messenger. Thus, the question arises how specificity in such responses may be attained. A hypothesis to explain signaling specificity is that cellular signaling architecture, and thus precise operation of cAMP in space and time would appear to be essential to achieve signaling specificity. Compartments with elevated cAMP levels would allow specific signal relay from receptors to effectors within a micro- or nanometer range, setting the molecular basis for signaling specificity. Although the paradigm of signaling compartmentation gains continuous recognition and is thoroughly being investigated, the molecular composition of such compartments and how they are maintained remains to be elucidated. In addition, such compartments would require very restricted diffusion of cAMP, but all direct measurements have indicated that it can diffuse in cells almost freely. In this work, we present the identification and characterize of a cAMP signaling compartment at a GSPCR. We created a Förster resonance energy transfer (FRET)-based receptor-sensor conjugate, allowing us to study cAMP dynamics in direct vicinity of the human glucagone-like peptide 1 receptor (hGLP1R). Additional targeting of analogous sensors to the plasma membrane and the cytosol enables assessment of cAMP dynamics in different subcellular regions. We compare both basal and stimulated cAMP levels and study cAMP crosstalk of different receptors. With the design of novel receptor nanorulers up to 60nm in length, which allow mapping cAMP levels in nanometer distance from the hGLP1R, we identify a cAMP nanodomain surrounding it. Further, we show that phosphodiesterases (PDEs), the only enzymes known to degrade cAMP, are decisive in constraining cAMP diffusion into the cytosol thereby maintaining a cAMP gradient. Following the discovery of this nanodomain, we sought to investigate whether downstream effectors such as PKA are present and active within the domain, additionally studying the role of A-kinase anchoring proteins (AKAPs) in targeting PKA to the receptor compartment. We demonstrate that GLP1-produced cAMP signals translate into local nanodomain-restricted PKA phosphorylation and determine that AKAP-tethering is essential for nanodomain PKA. Taken together, our results provide evidence for the existence of a dynamic, receptor associated cAMP nanodomain and give prospect for which key proteins are likely to be involved in its formation. These conditions would allow cAMP to exert its function in a spatially and temporally restricted manner, setting the basis for a cell to achieve signaling specificity. Understanding the molecular mechanism of cAMP signaling would allow modulation and thus regulation of GPCR signaling, taking advantage of it for pharmacological treatment. N2 - G Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) stellen eine große und sehr vielfältige Familie an Membranproteinen dar, deren primäre Funktion die Signalübertragung von extrazellulären Stimuli in intrazelluläre Signale ist. Dank ihrer breiten Expression im gesamten menschlichen Körper regulieren sie unterschiedliche zelluläre Prozesse und damit deren physiologische Funktion, unter anderem die Sinnesempfindung, zelluläre Kommunikation und Neurotransmission. GPCRs stehen im Zusammenhang mit unterschiedlichen Erkrankungen wie Herzinsuffizienz, Krebs, neurologischen Funktionsstörungen und diverser metabolischer Krankheiten, weswegen sie als Ziele („Targets“) zur Behandlung verschiedener Erkrankungen erforscht und genutzt werden. Aufgrund ihrer Expression auf der Zelloberfläche sind sie leicht zugänglich, und die Diversität ihrer Liganden begünstigt zusätzlich ihre Nutzung als pharmakologische Targets. Heutzutage vermitteln bereits 30% aller weltweit zugelassenen Arzneistoffe ihre Wirkung an GPCRs. GPCRs üben ihre Funktion aus, indem sie hauptsächlich an G Proteine binden, welche wiederum die Produktion sogenannter second messenger in Gang setzen. cAMP ist das Hauptsignalmolekül der Rezeptoren, welche an das stimulatorische GS Protein koppeln. cAMP überträgt hunderte ankommende Signale in einer hochspezifischen Weise, indem es an unterschiedliche Effektorproteine bindet, welche sich in bestimmten zellulären Regionen befinden. Dadurch koordiniert dieses Signalmolekül eine Vielzahl zellulärer Prozesse, angefangen bei der Regulierung von Ionenkanalaktivität über die Kontraktilität glatter- und quergestreifter Muskulatur bis hin zur Genexpression, Zellproliferation und Apoptose. Durch die pleiotropen Effekte, welche durch cAMP reguliert werden, stellt sich die Frage, wie GS-gekoppelte Rezeptoren Signalspezifität erreichen, obwohl sie ihre Funktion durch dieses eine Signalmolekül ausführen. Ursprünglich ging man von einer uneingeschränkten Diffusion und dadurch homogenen Verteilung von cAMP in der Zelle aus. Diese Vorstellung ist jedoch nicht mit der Signalisierungsspezifität von GPCRs vereinbar, da unter diesen Umständen cAMP unselektiv all seine Effektorproteine in der gesamten Zelle aktivieren könnte. Daher entstand die Hypothese der cAMP-Kompartimentierung, wobei die Zelle lokal begrenzte Bereiche mit hohen oder niedrigen cAMP Konzentrationen umfassen würde. Jedoch gab es bisher keinerlei Beweise für die Existenz und die molekulare Zusammensetzung mutmaßlicher Domänen. Folglich setzten wir uns als Ziel, hochkonzentrierte cAMP-Kompartimente in der Zelle zu lokalisieren, ihre räumliche Dimension aufzuklären und ihre Rolle zur Realisierung zellulärer Signalisierungsspezifität zu ermitteln. Im Rahmen der vorliegenden Studie setzten wir einen Förster resonance energy transfer (FRET)-basierten cAMP Sensor ein, fusionierten ihn mit dem humanen glucagone-like peptide 1 Rezeptor (hGLP1R) als Prototyp eines GS-koppelnden Rezeptors, um cAMP am Ursprung des Signals zu messen. Mittels dieser Sensoren weisen wir eine Rezeptor-umgebende begrenzte cAMP Domäne nach, welche eine erhöhte cAMP Konzenztration aufweist (Figure ‎3.10). Bei Stimulation des Rezeptors mit GLP1 Konzenztrationen beginnend bei 10 fM entsteht eine Rezeptordomäne mit lokal erhöhten cAMP Konzentrationen, welche getrennt von Plasmamembran und Cytosol ist. Wir zeigen, dass das hGLP1R-Kompartiment geschützt ist vor cAMP Signalen, welche an weiteren, unabhängigen GS-gekoppelten Rezeptoren ihren Ursprung haben (Figure ‎3.11). Um die räumliche Dimension dieser Domäne zu untersuchen, verwendeten wir Nanolinker der Länge 30- und 60 nm als Abstandhalter zwischen Rezeptor und Sensor (Figure ‎3.12) und zeigen dabei, dass sich die Domäne über eine Länge von 60 Nanometern erstreckt, wobei ein abnehmender cAMP-Gradient erkennbar ist. Weiterhin beweisen wir, dass Phosphodiesterasen (PDEs) Schlüsselfaktoren für die Bildung des cAMP-Gradienten um den Rezeptor herum sind, indem sie die Diffusion ins Cytosol beschränken (Figure ‎3.13). Darüber hinaus zeigen wir (Figure ‎3.15), dass Rezeptor-spezifische cAMP Signale PKA-Phosphorylierung in der Rezeptordomäne auslösen und, dass AKAPs elementar für nanodomänen PKA-Aktivität sind, wohingegen die cytosolische PKA-Phosphorylierung unabhängig von AKAP-Targeting der PKA ist (Figure ‎3.16). Zusammenfassend beweisen unsere Ergebnisse die Existenz einer Rezeptor-umgebenden Nanodomäne mit erhöhten cAMP Spiegeln eines GS-gekoppelten Rezeptors. Zeitgleiche Studien in unserer Gruppe zeigen, dass cAMP in der Zelle weitgehend gebunden vorliegt und diffusionslimitiert ist. Dies stellt den Nachweis für eine eingeschränkte Diffusion als molekulare Voraussetzung für die Bildung von Signalkompartimenten dar. Wir gehen davon aus, dass unsere Ergebnisse ein Ausgangspunkt für die Aufklärung von Rezeptoren als Quelle für Signalkompartimente darstellen, jedoch bedarf es weiterer Studien, um die präzise molekulare Zusammensetzung und die beteiligten Proteine dieser Signaldomäne zu untersuchen. Das Grundverständnis der Signalisierungskaskaden auf molekularer Ebene könnte es uns ermöglichen, die zellulären Reaktionen zu manipulieren, um eine Fehlfunktion der Signalisierung in erkrankten Zellen wiederherzustellen. Da der hGLP1R entscheidend für Aufrechterhaltung ausgeglichener Blutglucosespiegel ist, würde die Erfassung der molekularen Details der kompartimentalisierten Signalübertragung die Feinabstimmung der Rezeptorsignale ermöglichen, um ihn als spezifisches Target zur Behandlung von Diabetes Mellitus einzusetzen. KW - FRET KW - cAMP KW - compartments KW - GPCR Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-190695 ER - TY - JOUR A1 - Guth, Sabine A1 - Hüser, Stephanie A1 - Roth, Angelika A1 - Degen, Gisela A1 - Diel, Patrick A1 - Edlund, Karolina A1 - Eisenbrand, Gerhard A1 - Engel, Karl-Heinz A1 - Epe, Bernd A1 - Grune, Tilman A1 - Heinz, Volker A1 - Henle, Thomas A1 - Humpf, Hans-Ulrich A1 - Jäger, Henry A1 - Joost, Hans-Georg A1 - Kulling, Sabine E. A1 - Lampen, Alfonso A1 - Mally, Angela A1 - Marchan, Rosemarie A1 - Marko, Doris A1 - Mühle, Eva A1 - Nitsche, Michael A. A1 - Röhrdanz, Elke A1 - Stadler, Richard A1 - van Thriel, Christoph A1 - Vieths, Stefan A1 - Vogel, Rudi F. A1 - Wascher, Edmund A1 - Watzl, Carsten A1 - Nöthlings, Ute A1 - Hengstler, Jan G. T1 - Contribution to the ongoing discussion on fluoride toxicity JF - Archives of Toxicology N2 - Since the addition of fluoride to drinking water in the 1940s, there have been frequent and sometimes heated discussions regarding its benefits and risks. In a recently published review, we addressed the question if current exposure levels in Europe represent a risk to human health. This review was discussed in an editorial asking why we did not calculate benchmark doses (BMD) of fluoride neurotoxicity for humans. Here, we address the question, why it is problematic to calculate BMDs based on the currently available data. Briefly, the conclusions of the available studies are not homogeneous, reporting negative as well as positive results; moreover, the positive studies lack control of confounding factors such as the influence of well-known neurotoxicants. We also discuss the limitations of several further epidemiological studies that did not meet the inclusion criteria of our review. Finally, it is important to not only focus on epidemiological studies. Rather, risk analysis should consider all available data, including epidemiological, animal, as well as in vitro studies. Despite remaining uncertainties, the totality of evidence does not support the notion that fluoride should be considered a human developmental neurotoxicant at current exposure levels in European countries. KW - pharmacology/toxicology KW - occupational medicine/industrial medicine KW - environmental health KW - biomedicine, general Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-307161 SN - 0340-5761 SN - 1432-0738 VL - 95 IS - 7 ER - TY - JOUR A1 - Bankoglu, Ezgi Eyluel A1 - Stipp, Franzisca A1 - Gerber, Johanna A1 - Seyfried, Florian A1 - Heidland, August A1 - Bahner, Udo A1 - Stopper, Helga T1 - Effect of cryopreservation on DNA damage and DNA repair activity in human blood samples in the comet assay JF - Archives of Toxicology N2 - The comet assay is a commonly used method to determine DNA damage and repair activity in many types of samples. In recent years, the use of the comet assay in human biomonitoring became highly attractive due to its various modified versions, which may be useful to determine individual susceptibility in blood samples. However, in human biomonitoring studies, working with large sample numbers that are acquired over an extended time period requires some additional considerations. One of the most important issues is the storage of samples and its effect on the outcome of the comet assay. Another important question is the suitability of different blood preparations. In this study, we analysed the effect of cryopreservation on DNA damage and repair activity in human blood samples. In addition, we investigated the suitability of different blood preparations. The alkaline and FPG as well as two different types of repair comet assay and an in vitro hydrogen peroxide challenge were applied. Our results confirmed that cryopreserved blood preparations are suitable for investigating DNA damage in the alkaline and FPG comet assay in whole blood, buffy coat and PBMCs. Ex vivo hydrogen peroxide challenge yielded its optimal effect in isolated PBMCs. The utilised repair comet assay with either UVC or hydrogen peroxide-induced lesions and an aphidicolin block worked well in fresh PBMCs. Cryopreserved PBMCs could not be used immediately after thawing. However, a 16-h recovery with or without mitotic stimulation enabled the application of the repair comet assay, albeit only in a surviving cell fraction. KW - human biomonitoring KW - DNA damage KW - DNA repair KW - comet assay KW - blood samples Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-265326 VL - 95 IS - 5 ER - TY - JOUR A1 - Sedaghat-Hamedani, Farbod A1 - Rebs, Sabine A1 - El-Battrawy, Ibrahim A1 - Chasan, Safak A1 - Krause, Tobias A1 - Haas, Jan A1 - Zhong, Rujia A1 - Liao, Zhenxing A1 - Xu, Qiang A1 - Zhou, Xiaobo A1 - Akin, Ibrahim A1 - Zitron, Edgar A1 - Frey, Norbert A1 - Streckfuss-Bömeke, Katrin A1 - Kayvanpour, Elham T1 - Identification of SCN5a p.C335R variant in a large family with dilated cardiomyopathy and conduction disease JF - International Journal of Molecular Sciences N2 - Introduction: Familial dilated cardiomyopathy (DCM) is clinically variable and has been associated with mutations in more than 50 genes. Rapid improvements in DNA sequencing have led to the identification of diverse rare variants with unknown significance (VUS), which underlines the importance of functional analyses. In this study, by investigating human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (iPSC-CMs), we evaluated the pathogenicity of the p.C335R sodium voltage-gated channel alpha subunit 5 (SCN5a) variant in a large family with familial DCM and conduction disease. Methods: A four-generation family with autosomal dominant familial DCM was investigated. Next-generation sequencing (NGS) was performed in all 16 family members. Clinical deep phenotyping, including endomyocardial biopsy, was performed. Skin biopsies from two patients and one healthy family member were used to generate human-induced pluripotent stem cells (iPSCs), which were then differentiated into cardiomyocytes. Patch-clamp analysis with Xenopus oocytes and iPSC-CMs were performed. Results: A SCN5a variant (c.1003T>C; p.C335R) could be detected in all family members with DCM or conduction disease. A novel truncating TTN variant (p.Ser24998LysfsTer28) could also be identified in two family members with DCM. Family members with the SCN5a variant (p.C335R) showed significantly longer PQ and QRS intervals and lower left ventricular ejection fractions (LV-EF). All four patients who received CRT-D were non-responders. Electrophysiological analysis with Xenopus oocytes showed a loss of function in SCN5a p.C335R. Na\(^+\) channel currents were also reduced in iPSC-CMs from DCM patients. Furthermore, iPSC-CM with compound heterozygosity (SCN5a p.C335R and TTNtv) showed significant dysregulation of sarcomere structures, which may be contributed to the severity of the disease and earlier onset of DCM. Conclusion: The SCN5a p.C335R variant is causing a loss of function of peak INa in patients with DCM and cardiac conduction disease. The co-existence of genetic variants in channels and structural genes (e.g., SCN5a p.C335R and TTNtv) increases the severity of the DCM phenotype. KW - familial DCM KW - conduction disease KW - SCN5a Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-284442 SN - 1422-0067 VL - 22 IS - 23 ER - TY - JOUR A1 - Dekant, Raphael A1 - Langer, Michael A1 - Lupp, Maria A1 - Adaku Chilaka, Cynthia A1 - Mally, Angela T1 - In vitro and in vivo analysis of ochratoxin A-derived glucuronides and mercapturic acids as biomarkers of exposure JF - Toxins N2 - Ochratoxin A (OTA) is a widespread food contaminant, with exposure estimated to range from 0.64 to 17.79 ng/kg body weight (bw) for average consumers and from 2.40 to 51.69 ng/kg bw per day for high consumers. Current exposure estimates are, however, associated with considerable uncertainty. While biomarker-based approaches may contribute to improved exposure assessment, there is yet insufficient data on urinary metabolites of OTA and their relation to external dose to allow reliable estimates of daily intake. This study was designed to assess potential species differences in phase II biotransformation in vitro and to establish a correlation between urinary OTA-derived glucuronides and mercapturic acids and external exposure in rats in vivo. In vitro analyses of OTA metabolism using the liver S9 of rats, humans, rabbits and minipigs confirmed formation of an OTA glucuronide but provided no evidence for the formation of OTA-derived mercapturic acids to support their use as biomarkers. Similarly, OTA-derived mercapturic acids were not detected in urine of rats repeatedly dosed with OTA, while indirect analysis using enzymatic hydrolysis of the urine samples prior to LC–MS/MS established a linear relationship between urinary glucuronide excretion and OTA exposure. These results support OTA-derived glucuronides but not mercapturic acids as metabolites suitable for biomonitoring. KW - ochratoxin A KW - biomarker of exposure KW - glucuronide KW - mercapturic acid KW - mycotoxin Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-245146 SN - 2072-6651 VL - 13 IS - 8 ER - TY - THES A1 - Kodandaraman, Geema T1 - Influence of insulin-induced oxidative stress in genotoxicity and disease T1 - Einfluss von insulininduziertem oxidativem Stress auf Genotoxitität und Krankheit N2 - Hormones are essential components in the body and their imbalance leads to pathological consequences. T2DM, insulin resistance and obesity are the most commonly occurring lifestyle diseases in the past decade. Also, an increased cancer incidence has been strongly associated with obese and T2DM patients. Therefore, our aim was to study the influence of high insulin levels in accumulating DNA damage in in vitro models and patients, through the induction of oxidative stress. The primary goal of this study was to analyze the genotoxicity induced by the combined action of two endogenous hormones (insulin and adrenaline) with in vitro models, through the induction of micronuclei and to see if they cause an additive increase in genomic damage. This is important for multifactorial diseases having high levels of more than one hormone, such as metabolic syndrome and conditions with multiple pathologies (e.g., T2DM along with high stress levels). Furthermore, the combination of insulin and the pharmacological inhibition of the tumor suppressor gene: PTEN, was to be tested in in vitro models for their genotoxic effect and oxidative stress inducing potential. As the tumor suppressor gene: PTEN is downregulated in PTEN associated syndromes and when presented along with T2DM and insulin resistance, this may increase the potential to accumulate genomic damage. The consequences of insulin action were to be further elucidated by following GFP-expressing cells in live cell-imaging to observe the ability of insulin, to induce micronuclei and replicative stress. Finally, the detrimental potential of high insulin levels in obese patients with hyperinsulinemia and pre-diabetes was to be studied by analyzing markers of oxidative stress and genomic damage. In summary, the intention of this work was to understand the effects of high insulin levels in in vitro and in patients to understand its relevance for the development of genomic instability and thus an elevated cancer risk. N2 - In-vitro-Genotoxizitätsstudien mit hohen Konzentrationen von Insulin und die Kombination mit Adrenalin zeigten keinen additiven Anstieg der Mikrokernzahl. Der Insulinrezeptor und der AKT-Signalweg waren in den insulinvermittelten Genomschaden involviert. Die endogenen ROS-Quellen, Mitochondrien und NOX, waren an dem insulinvermittelten DNA-Schaden beteiligt. Hohe Konzentrationen von mitochondrialen ROS alleine, verursacht durch einen Komplex III Mitochondrien-Inhibitor, führten zu Zytotoxizität, aber nicht zu einer Zunahme des Genomschadens. Daher ist die durch das NOX-Enzym vermittelte ROS-Produktion wahrscheinlich der gemeinsame Faktor des genotoxischen Signalweges von Insulin und Adrenalin. Die Überstimulation des NOX-Enzyms führte zu einer Sättigung der zellulären biologischen Effekte und fehlender Additivität bei der Induktion von Genomschaden. Dies könnte jedoch unter physiologischen Bedingungen anders sein, da die Hormonspiegel niedriger sind und die ROS-Quellen nicht durch jedes einzelne der Hormone bereits maximal genutzt und daher erschöpft werden. Damit könnte die Möglichkeit eines additiven Genomschadens in vivo bestehen. Die Rolle des AKT-Signalwegs bei der Insulin-vermittelten genomischen Schädigung ist bereits etabliert und hier wurde nun die Funktion des negativen Regulatorproteins PTEN untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die PTEN Inhibierung nicht nur zu einer erhöhten Genotoxizität durch MN-Induktion führte, sondern auch zur Beeinträchtigung der mitochondrialen Funktion. Obwohl kein Anstieg von ROS nach PTEN-Inhibierung beobachtet wurde, könnte die mitochondriale Dysfunktion zur metabolischen Imbalance sowie zur Zunahme des Genomschadens führen. Dies könnte insbesondere bei Patienten mit bestimmten PTEN-assoziierten Syndromen und Krebserkrankungen, die eine defekte PTEN-vermittelte Tumorsuppressorfunktion, DNA-Reparaturdefekte und kompromittierte antioxidative Abwehrmechanismen aufweisen, eine wichtige Rolle spielen. Wenn diese Patienten zusätzlich von Hyperinsulinämie betroffen sind, könnte eine Akkumulation von Genomschaden erfolgen und das Risiko zur Krebsentstehung wäre erhöht. Der Mechanismus der Genomschadensinduktion durch Insulin wurde bisher mit einer ROS-vermittelten DNA-Oxidation in Verbindung gebracht, aber noch nicht mit der mitogenen Signalgebung. Bei dieser beschleunigte das mitogene Potential des Insulins die Zellteilung und verursachte einen leichten replikativen Stress. Der milde replikative Stress könnte der Kontrolle durch die mitotischen Checkpoint-Proteine entgehen und zu Chromosomen-Fehlverteilungen und Chromosomenbrüchen führen. Dieser Effekt wurde in der Krebszelllinie Hela in Form von multipolaren Spindeln und Mikronuklei beobachtet und es ist nicht klar ob normale Zellen mit effizienterer Kontrolle dies verhindern könnten. Insgesamt könnte ein durch hohe Insulinspiegel vermittelter Schaden im Kontext anderer Komorbiditäten wie etwa PTEN Syndromen, metabolischem Syndrom oder Adipositas zu einer Akkumulation von DNA-Schäden führen. Schließlich zeigte die Analyse von Proben adipöser Patienten eine Zunahme von DNA-Schaden und oxidativem Stress im Vergleich zu den gesunden Kontrollen. Der Anstieg des DNA-Schadens war am höchsten in der Untergruppe der Patienten mit Insulinresistenz. Hoher Insulinspiegel bedeutet somit ein Risiko vom erhöhten oxidativen Stress und Genomschaden, insbesondere in Kombination mit Komorbiditäten. Erschwert wird das Verständnis dieser multifaktoriellen Zusammenhänge durch das komplexe Zusammenspiel von oxidativem Stress und seiner zellulären Regulation in vielen physiologischen sowie pathophysiologischen Prozessen. Daneben ist es eine Herausforderung, Genomschäden bei den geringen Wirkspiegeln hormoneller Effekte zu detektieren. Weitere Untersuchungen der komplexen Insulin-vermittelten Genomschadenswege werden notwendig sein, um mögliche Risiken der Hyperinsulinämie bei Erkrankungen wie Stoffwechselkrankheiten, Diabetes Typ 2 und Adipositas besser zu charakterisieren. KW - Insulin KW - Genotoxicity KW - Micronucleus Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-242005 ER - TY - THES A1 - Schihada, Hannes T1 - Novel optical methods to monitor G-protein-coupled receptor activation in microtiter plates T1 - Neue optische Methoden zur Messung der Aktivierung von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren in Mikrotiter-Platten N2 - G-protein-coupled receptors (GPCRs) regulate diverse physiological processes in the human body and represent prime targets in modern drug discovery. Engagement of different ligands to these membrane-embedded proteins evokes distinct receptor conformational rearrangements that facilitate subsequent receptor-mediated signalling and, ultimately, enable cellular adaptation to altered environmental conditions. Since the early 2000s, the technology of resonance energy transfer (RET) has been exploited to assess these conformational receptor dynamics in living cells and real time. However, to date, these conformational GPCR studies are restricted to single-cell microscopic setups, slowing down the discovery of novel GPCR-directed therapeutics. In this work, we present the development of a novel generalizable high-throughput compatible assay for the direct measurement of GPCR activation and deactivation. By screening a variety of energy partners for fluorescence (FRET) and bioluminescence resonance energy transfer (BRET), we identified a highly sensitive design for an α2A-adrenergic receptor conformational biosensor. This biosensor reports the receptor’s conformational change upon ligand binding in a 96-well plate reader format with the highest signal amplitude obtained so far. We demonstrate the capacity of this sensor prototype to faithfully quantify efficacy and potency of GPCR ligands in intact cells and real time. Furthermore, we confirm its universal applicability by cloning and validating five further equivalent GPCR biosensors. To prove the suitability of this new GPCR assay for screening purposes, we measured the well-accepted Z-factor as a parameter for the assay quality. All tested biosensors show excellent Z-factors indicating outstanding assay quality. Furthermore, we demonstrate that this assay provides excellent throughput and presents low rates of erroneous hit identification (false positives and false negatives). Following this phase of assay development, we utilized these biosensors to understand the mechanism and consequences of the postulated modulation of parathyroid hormone receptor 1 (PTHR1) through receptor activity-modifying protein 2 (RAMP2). We found that RAMP2 desensitizes PTHR1, but not the β2-adrenergic receptor (β2AR), for agonist-induced structural changes. This generalizable sensor design offers the first possibility to upscale conformational GPCR studies, which represents the most direct and unbiased approach to monitor receptor activation and deactivation. Therefore, this novel technology provides substantial advantages over currently established methods for GPCR ligand screening. We feel confident that this technology will aid the discovery of novel types of GPCR ligands, help to identify the endogenous ligands of so-called orphan GPCRs and deepen our understanding of the physiological regulation of GPCR function. N2 - Die Klasse der G-protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) stellt die größte Familie membranständiger Proteine dar. GPCRs regulieren eine Vielzahl diverser physiologischer Prozesse in eukaryotischen Zellen und kontrollieren so unterschiedliche Zellfunktionen im menschlichen Organismus. Sie stellen die Zelloberflächenrezeptoren für verschiedenartige extrazelluläre Stimuli, wie zum Beispiel Photonen, niedermolekulare chemische Verbindungen, Peptide und Lipide dar. Die Wechselwirkung mit diesen sogenannten Liganden stabilisiert spezifische GPCR-Konformationen. Diese dienen wiederum als Ausgangspunkt für nachgeschaltete intrazelluläre Signalkaskaden, die beispielweise über membranverankerte G-Proteine vermittelt werden können. Während endogene GPCR-Agonisten diese Signalweiterleitung verstärken, können andere Biomoleküle wie Lipide, Ionen oder andersartige Membranproteine die Funktion, und damit die Signalweiterleitung der GPCRs modulieren. Aufgrund ihrer Einbindung in eine Vielzahl physiologischer und pathophysiologischer Prozesse, wurden GPCRs schon früh als Angriffspunkte („Targets“) zur Behandlung verschiedener Erkrankungen erforscht und genutzt. Heutzutage vermitteln etwa 30% aller zugelassenen Arzneistoffe ihre Wirkung über G-protein-gekoppelte Rezeptoren. Dennoch wird das große Potential dieser Rezeptorfamilie als Targets für medikamentöse Behandlungen noch nicht in vollem Umfang ausgeschöpft. Tatsächlich gibt es für mehr als 200 GPCRs, die nicht der olfaktorischen Wahrnehmung dienen, noch keine Arzneistoffe, da wenig über deren Pharmakologie und physiologische Bedeutung bekannt ist. Zudem wird die Entwicklung neuartiger GPCR-Liganden erheblich durch das eingeschränkte Methodenrepertoire beeinträchtigt. Alle derzeit etablierten Techniken zur Identifizierung neuer GPCR-Liganden erfassen entweder den Ligand-GPCR-Bindungsprozess, der keine Informationen über die tatsächliche Aktivität der Verbindung liefert, oder messen weit-nachgeschaltete Signale, wie Änderungen sogenannter „Second-Messenger“-Konzentrationen (meist cAMP oder Calcium) und Reporter-Gen-Expressionslevel. Aufgrund ihrer Entfernung vom eigentlichen Rezeptor-Aktivierungsprozess haben diese Methoden allerdings bedeutende Nachteile und produzieren so häufig Falsch-Positive und Falsch-Negative Ergebnisse. Seit den frühen 2000er wurden GPCR-Konformationssensoren auf Basis von Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer (FRET) zur Messung der Ligand-induzierten Rezeptordynamik genutzt. Jedoch wies keiner der bisher entwickelten FRET- oder BRET- (Biolumineszenz-Resonanz-Energie-Transfer) Sensoren ausreichende Signalstärke auf, um im Hochdurchsatz-Screening (HTS) angewendet werden zu können. Die vorliegende Studie beschreibt das erste GPCR-Sensordesign, das aufgrund seiner exzellenten Signalstärke im Hochdurchsatz-Verfahren verwendet werden kann. Wir haben 21 unterschiedliche FRET- und BRET-Sensoren des α2A-adrenergen Rezeptors (α2AAR) getestet und dabei die Kombination der kleinen und hellen Luziferase NanoLuciferase (Nluc) mit dem rot-fluoreszierenden HaloTag-Farbstoff 618 als sensitivstes RET-Paar identifiziert. Der α2AARNluc/Halo(618) Biosensor ermöglicht die Messung der Aktivität und Wirkstärke von α2AAR-Liganden im Mikrotiterplattenformat. Um die universelle Anwendbarkeit dieses Sensordesigns zu prüfen, wurden fünf weitere Nluc/Halo(618)-basierende Sensoren für GPCRs unterschiedlicher Unterfamilien entwickelt. Zudem konnten wir zeigen, dass diese GPCRNluc/Halo(618)-Fusionsproteine weiterhin ihre natürlichen Signalkaskaden in Gang setzen können und damit die biologische Funktionalität dieser Rezeptoren erhalten ist. Außerdem belegt die vorlegende Arbeit, dass diese neue Sensor-Generation zur Messung Ligand-vermittelter Rezeptordynamiken im Hochdurchsatz-Format und zur Untersuchung der GPCR-Regulation durch endogene Modulatoren genutzt werden kann. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass wir den ersten HTS-kompatiblen Assay zur Messung der GPCR-Konformationsänderungen entwickelt haben. Diese Biosensoren erlauben die Charakterisierung neuartiger GPCR-Liganden direkt auf der Rezeptorebene und funktionieren damit unabhängig von nachgeschalteter Signalamplifikation oder Überlagerung verschiedener Signalwege, welche die Aussagekraft traditioneller GPCR-Screening-Verfahren häufig beeinträchtigen. Diese Technik kann zur Entdeckung neuartiger GPCR-Arzneistoffe genutzt werden, zu einem besseren Verständnis bisher kaum erforschter Rezeptoren beitragen und der Identifizierung und Charakterisierung potentieller GPCR-Modulatoren dienen. KW - G-Protein gekoppelte Rezeptoren KW - Hochdurchsatz-Screening KW - Förster Resonanz Energie Transfer KW - High-thropughput screening KW - Bioluminescence resonance energy transfer KW - G-protein-coupled receptors KW - Receptor dynamics Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-175415 ER - TY - JOUR A1 - Weigand, Isabel A1 - Ronchi, Cristina L. A1 - Vanselow, Jens T. A1 - Bathon, Kerstin A1 - Lenz, Kerstin A1 - Herterich, Sabine A1 - Schlosser, Andreas A1 - Kroiss, Matthias A1 - Fassnacht, Martin A1 - Calebiro, Davide A1 - Sbiera, Silviu T1 - PKA Cα subunit mutation triggers caspase-dependent RIIβ subunit degradation via Ser\(^{114}\) phosphorylation JF - Science Advances N2 - Mutations in the PRKACA gene are the most frequent cause of cortisol-producing adrenocortical adenomas leading to Cushing’s syndrome. PRKACA encodes for the catalytic subunit α of protein kinase A (PKA). We already showed that PRKACA mutations lead to impairment of regulatory (R) subunit binding. Furthermore, PRKACA mutations are associated with reduced RIIβ protein levels; however, the mechanisms leading to reduced RIIβ levels are presently unknown. Here, we investigate the effects of the most frequent PRKACA mutation, L206R, on regulatory subunit stability. We find that Ser\(^{114}\) phosphorylation of RIIβ is required for its degradation, mediated by caspase 16. Last, we show that the resulting reduction in RIIβ protein levels leads to increased cortisol secretion in adrenocortical cells. These findings reveal the molecular mechanisms and pathophysiological relevance of the R subunit degradation caused by PRKACA mutations, adding another dimension to the deregulation of PKA signaling caused by PRKACA mutations in adrenal Cushing’s syndrome. KW - mutation triggers KW - phosphorylation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-270445 VL - 7 IS - 8 ER -